科学家用光创造了莫比乌斯带：只有一个面的三维怪物

加拿大、欧洲和美国的研究合作通过光偏振实验产生了莫比乌斯带(一种单边的、无方向性的曲面)，这证实了光的电磁场可以呈现这种特殊形状的理论预测。莫比乌斯带很容易制作。使用纸带，扭转一次，然后将两端连接在一起，这样你就创建了一个莫比乌斯带:一个只有一面的三维结构。每年，数百万学生在学校里进行这种实践操作。然而，自然形成的莫比乌斯带的发现是另一回事。

"这是自然界中莫比乌斯结构的罕见例子之一."罗彻斯特大学光学和物理学教授、加拿大渥太华大学量子非线性光学杰出研究主席罗伯特·博伊德说。他是发表在《科学》杂志上的这篇文章的资深作者之一。非常有趣的是，光的偏振态可以产生莫比乌斯带。它不仅可以提高对光偏振的基本理解，还可以用来在微米和纳米水平上生成复杂的结构。

光是电磁波，所以它有一个电磁场，其中电场的振荡方向称为光的偏振方向。偏振是理解偏振太阳镜和减少眩光的3D影院的关键。太阳光的偏振通常是随机的，这意味着电场的方向随着光的变化而变化。然而，当光从任何物体表面反射回来时，例如水、玻璃或公路表面，反射光在特定方向上偏振，平行于光反射的表面。偏光太阳镜可以阻挡这个方向的偏振光，从而大大减少眩光，但同时允许其他光线进入。

在实验中，为了产生莫比乌斯带，研究人员使用了一种特殊类型的光:一种高度集中的光束，通常被称为结构光。结构光在光束中具有特定的偏振和密度分布——因此，光束不同部分的电磁场振荡是不同的。即使对于标准激光器，光的运动方向也不总是在直角上。在这种高度结构化的光束中，电场将在三维空间中分布。此外，光束的不同部分在不同方向会有不同的电场。

为了成像偏振，研究人员使用了纳米粒子。研究人员扫描了光束横截面上的纳米粒子，然后观察了它散射的光。通过确定光是如何散射的，并有效地将其用作干涉仪，可以检测到聚焦光束的偏振，并出现莫比乌斯带。这个程序是由巴伐利亚州何润纽伦堡大学的教授格德·勒克斯和彼得·班泽尔发明的。

莫比乌斯带显示了围绕激光束轴线的圆形通道上每个位置的电场方向。根据激光束结构的细节，研究人员观察到莫比乌斯带的偏振显示出3/2或5/2的扭曲。博伊德解释说，这些莫比乌斯带展示了光束在非常小的亚波长范围内的丰富结构。他补充说，此外，研究所使用的测量方法在检测其他光束类型的纳米结构方面有很大的潜力。