近期，中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室研究團隊發展了包括軌道角動量量子數的QED散射理論，并提出強激光產生高能量子渦旋態電子的新方法。相關成果以“Generation of Quantum Vortex Electrons with Intense Laser Pulses”為題發表于Advanced Science。

一個世紀前，加速器的發明提供了產生高能粒子的方法，使人類對微觀粒子的內部結構和性質有了革命性認識，極大推動了高能粒子物理與核物理的發展。上世紀七十年代，在儲存環中又實現了對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驗方法。近十多年來，人們開始將目光聚焦于如何實現對高能粒子量子態(單粒子波函數)的精確操控，例如攜帶內稟軌道角動量的渦旋粒子態的產生，這種全新的粒子源有望用于獲得高角動量的奇異粒子態，通過角動量操控核能級躍遷，以及探索核子內部自旋起源等。目前，通過螺旋相位板、叉形光柵衍射等方案可以實現對光學激光、非相對論電子束、低能中子或原子等渦旋結構的操控;在自由電子激光器中，將波蕩器調整為螺旋形結構也可以產生具有渦旋結構的紫外線和軟X射線。然而，在高能區域，粒子波長極短，上述方法均無法實現對粒子波函數結構的調控。

圖1. A: 基于非線性渦旋康普頓散射產生高能量子渦旋態電子的示意圖。B: 包含內稟軌道角動量的渦旋散射費曼圖。C: 散射電子的橫向密度渦旋結構。

研究團隊提出了基于圓偏振激光脈沖與高能電子束對撞產生攜帶內稟軌道角動量的GeV量子渦旋態電子與γ-光子的新方案(圖1)。高能電子與強激光對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量轉移與分配機制，研究團隊構建了自洽的非線性渦旋QED散射理論。研究發現，在高度非線性區域，輻射反作用主導了激光光子自旋向散射電子角動量的轉移(圖2)，且電子獲得的軌道角動量與描述輻射反作用的量子參數滿足線性定標率(圖2C)?；谶@種新的機制，散射電子可以獲得大量內稟軌道角動量，進而其量子波函數被扭曲為渦旋態(圖1C)。該研究揭示了非線性康普頓散射中的角動量分配規律，首次發現該過程中電子可以有效獲得軌道角動量，改變了激光自旋角動量只能傳遞給輻射γ-光子的傳統認識。研究還發現，產生的渦旋態電子在激光場下的進一步散射會出現雙峰的γ-光子輻射譜(圖3)，有望為實驗探測高能渦旋態電子提供可行性方案。

研究團隊給出了角動量分配律公式與定標率，結果表明在1020W/cm2的激光場下散射電子獲得的平均軌道角動量可以達到100?，并隨激光強度線性增長(圖2D)。證實這種高效的角動量轉換機制，通過結合粒子加速器與超短超強激光有望獲得新的渦旋粒子源，并應用于粒子物理、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-光子的內稟軌道角動量譜。C: 散射電子和γ-光子的中心軌道角動量與吸收激光光子數的關系。D: 電子平均角動量與激光振幅的平方定標率。

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

審核編輯 黃宇