超强激光科学卓越创新简报

(第五百五十八期)

2024年10月9日

上海光机所提出强激光产生高能量子涡旋态电子新方法

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室研究团队发展了包括轨道角动量量子数的QED散射理论，并提出强激光产生高能量子涡旋态电子的新方法。相关成果以“Generation of Quantum Vortex Electrons with Intense Laser Pulses”为题发表于Advanced Science。

一个世纪前，加速器的发明提供了产生高能粒子的方法，使人类对微观粒子的内部结构和性质有了革命性认识，极大推动了高能粒子物理与核物理的发展。上世纪七十年代，在储存环中又实现了对高能粒子自旋极化的精确控制，为探索高能物理过程提供了新的自由度和实验方法。近十多年来，人们开始将目光聚焦于如何实现对高能粒子量子态（单粒子波函数）的精确操控，例如携带内禀轨道角动量的涡旋粒子态的产生，这种全新的粒子源有望用于获得高角动量的奇异粒子态，通过角动量操控核能级跃迁，以及探索核子内部自旋起源等。目前，通过螺旋相位板、叉形光栅衍射等方案可以实现对光学激光、非相对论电子束、低能中子或原子等涡旋结构的操控；在自由电子激光器中，将波荡器调整为螺旋形结构也可以产生具有涡旋结构的紫外线和软X射线。然而，在高能区域，粒子波长极短，上述方法均无法实现对粒子波函数结构的调控。

研究团队提出了基于圆偏振激光脉冲与高能电子束对撞产生携带内禀轨道角动量的GeV量子涡旋态电子与γ-光子的新方案（图1）。高能电子与强激光对撞的主要过程为非线性康普顿散射，为解决多光子吸收过程中的角动量转移与分配机制，研究团队构建了自洽的非线性涡旋QED散射理论。研究发现，在高度非线性区域，辐射反作用主导了激光光子自旋向散射电子角动量的转移（图2），且电子获得的轨道角动量与描述辐射反作用的量子参数满足线性定标率（图2C）。基于这种新的机制，散射电子可以获得大量内禀轨道角动量，进而其量子波函数被扭曲为涡旋态（图1C）。该研究揭示了非线性康普顿散射中的角动量分配规律，首次发现该过程中电子可以有效获得轨道角动量，改变了激光自旋角动量只能传递给辐射γ-光子的传统认识。研究还发现，产生的涡旋态电子在激光场下的进一步散射会出现双峰的γ-光子辐射谱（图3），有望为实验探测高能涡旋态电子提供可行性方案。

研究团队给出了角动量分配律公式与定标率，结果表明在10²⁰W/cm²的激光场下散射电子获得的平均轨道角动量可以达到100ℏ，并随激光强度线性增长（图2D）。证实这种高效的角动量转换机制，通过结合粒子加速器与超短超强激光有望获得新的涡旋粒子源，并应用于粒子物理、核物理的研究。

相关研究得到国家自然科学基金委、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、国家重点研发计划等项目支持。

原文链接

图1. A: 基于非线性涡旋康普顿散射产生高能量子涡旋态电子的示意图。B: 包含内禀轨道角动量的涡旋散射费曼图。C: 散射电子的横向密度涡旋结构。

图2. A: γ-光子的辐射谱与中心能量。B: 散射电子和γ-光子的内禀轨道角动量谱。C: 散射电子和γ-光子的中心轨道角动量与吸收激光光子数的关系。D: 电子平均角动量与激光振幅的平方定标率。

图3. A&C: 涡旋态电子在圆偏振激光场下的康普顿散射谱。B&D: 普通电子在圆偏振激光场下的康普顿散射谱。