近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了包括軌道角動(dòng)量量子數(shù)的QED散射理論，并提出強(qiáng)激光產(chǎn)生高能量子渦旋態(tài)電子的新方法。相關(guān)成果以“Generation of Quantum Vortex Electrons with Intense Laser Pulses”為題發(fā)表于Advanced Science。

一個(gè)世紀(jì)前，加速器的發(fā)明提供了產(chǎn)生高能粒子的方法，使人類對(duì)微觀粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有了革命性認(rèn)識(shí)，極大推動(dòng)了高能粒子物理與核物理的發(fā)展。上世紀(jì)七十年代，在儲(chǔ)存環(huán)中又實(shí)現(xiàn)了對(duì)高能粒子自旋極化的精確控制，為探索高能物理過程提供了新的自由度和實(shí)驗(yàn)方法。近十多年來，人們開始將目光聚焦于如何實(shí)現(xiàn)對(duì)高能粒子量子態(tài)(單粒子波函數(shù))的精確操控，例如攜帶內(nèi)稟軌道角動(dòng)量的渦旋粒子態(tài)的產(chǎn)生，這種全新的粒子源有望用于獲得高角動(dòng)量的奇異粒子態(tài)，通過角動(dòng)量操控核能級(jí)躍遷，以及探索核子內(nèi)部自旋起源等。目前，通過螺旋相位板、叉形光柵衍射等方案可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)激光、非相對(duì)論電子束、低能中子或原子等渦旋結(jié)構(gòu)的操控;在自由電子激光器中，將波蕩器調(diào)整為螺旋形結(jié)構(gòu)也可以產(chǎn)生具有渦旋結(jié)構(gòu)的紫外線和軟X射線。然而，在高能區(qū)域，粒子波長(zhǎng)極短，上述方法均無法實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子波函數(shù)結(jié)構(gòu)的調(diào)控。

圖1. A: 基于非線性渦旋康普頓散射產(chǎn)生高能量子渦旋態(tài)電子的示意圖。B: 包含內(nèi)稟軌道角動(dòng)量的渦旋散射費(fèi)曼圖。C: 散射電子的橫向密度渦旋結(jié)構(gòu)。

研究團(tuán)隊(duì)提出了基于圓偏振激光脈沖與高能電子束對(duì)撞產(chǎn)生攜帶內(nèi)稟軌道角動(dòng)量的GeV量子渦旋態(tài)電子與γ-光子的新方案(圖1)。高能電子與強(qiáng)激光對(duì)撞的主要過程為非線性康普頓散射，為解決多光子吸收過程中的角動(dòng)量轉(zhuǎn)移與分配機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了自洽的非線性渦旋QED散射理論。研究發(fā)現(xiàn)，在高度非線性區(qū)域，輻射反作用主導(dǎo)了激光光子自旋向散射電子角動(dòng)量的轉(zhuǎn)移(圖2)，且電子獲得的軌道角動(dòng)量與描述輻射反作用的量子參數(shù)滿足線性定標(biāo)率(圖2C)。基于這種新的機(jī)制，散射電子可以獲得大量?jī)?nèi)稟軌道角動(dòng)量，進(jìn)而其量子波函數(shù)被扭曲為渦旋態(tài)(圖1C)。該研究揭示了非線性康普頓散射中的角動(dòng)量分配規(guī)律，首次發(fā)現(xiàn)該過程中電子可以有效獲得軌道角動(dòng)量，改變了激光自旋角動(dòng)量只能傳遞給輻射γ-光子的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。研究還發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生的渦旋態(tài)電子在激光場(chǎng)下的進(jìn)一步散射會(huì)出現(xiàn)雙峰的γ-光子輻射譜(圖3)，有望為實(shí)驗(yàn)探測(cè)高能渦旋態(tài)電子提供可行性方案。

研究團(tuán)隊(duì)給出了角動(dòng)量分配律公式與定標(biāo)率，結(jié)果表明在1020W/cm2的激光場(chǎng)下散射電子獲得的平均軌道角動(dòng)量可以達(dá)到100?，并隨激光強(qiáng)度線性增長(zhǎng)(圖2D)。證實(shí)這種高效的角動(dòng)量轉(zhuǎn)換機(jī)制，通過結(jié)合粒子加速器與超短超強(qiáng)激光有望獲得新的渦旋粒子源，并應(yīng)用于粒子物理、核物理的研究。

圖2. A: γ-光子的輻射譜與中心能量。B: 散射電子和γ-光子的內(nèi)稟軌道角動(dòng)量譜。C: 散射電子和γ-光子的中心軌道角動(dòng)量與吸收激光光子數(shù)的關(guān)系。D: 電子平均角動(dòng)量與激光振幅的平方定標(biāo)率。

圖3. A&C: 渦旋態(tài)電子在圓偏振激光場(chǎng)下的康普頓散射譜。B&D: 普通電子在圓偏振激光場(chǎng)下的康普頓散射譜。

審核編輯 黃宇