近期，我校數(shù)理學(xué)院陳月月教授和西安交通大學(xué)栗建興教授團(tuán)隊(duì)在渦旋伽馬光子角動(dòng)量操控方面取得進(jìn)展。針對(duì)高能渦旋伽馬光子自旋和軌道角動(dòng)量協(xié)同調(diào)控的難題，該團(tuán)隊(duì)發(fā)展了基于雙色反旋圓偏振光的渦旋散射理論，提出了利用雙色反旋圓偏振光產(chǎn)生角動(dòng)量可控的渦旋伽馬光的理論方案。

高能渦旋光源與傳統(tǒng)光源相比，具有高亮度、穿透能力強(qiáng)、高速信息處理以及能夠攜帶軌道角動(dòng)量等顯著優(yōu)勢(shì)，為調(diào)控伽馬射線(xiàn)與同核異能態(tài)的相互作用提供了全新的實(shí)驗(yàn)手段，同時(shí)也推動(dòng)著從微觀(guān)到宏觀(guān)多個(gè)科學(xué)前沿領(lǐng)域的發(fā)展。通過(guò)雙色反旋圓偏振光的高次諧波產(chǎn)生可實(shí)現(xiàn)對(duì)極紫外阿秒脈沖角動(dòng)量的調(diào)控，而更高光子能量的渦旋光束的制備和角動(dòng)量調(diào)控仍面臨巨大挑戰(zhàn)。利用強(qiáng)拉蓋爾-高斯激光或兩個(gè)對(duì)向傳播的圓偏振激光與近臨界密度等離子體相互作用，可以產(chǎn)生攜帶可控軌道角動(dòng)量的高能伽馬射線(xiàn)。但這些方案主要局限于經(jīng)典外稟角動(dòng)量的傳遞調(diào)控，缺乏對(duì)光子自旋角動(dòng)量與軌道角動(dòng)量間耦合機(jī)制的精確掌控。實(shí)現(xiàn)面向量子輻射過(guò)程的自旋-軌道協(xié)同調(diào)控，仍是當(dāng)前強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)研究中的關(guān)鍵前沿問(wèn)題。

雙色反旋圓偏振光驅(qū)動(dòng)伽馬光角動(dòng)量調(diào)控的示意圖

a.非線(xiàn)性康普頓散射產(chǎn)生具有特殊角動(dòng)量譜的渦旋伽馬光

  b.雙色反旋圓偏振光對(duì)伽馬光自旋和軌道角動(dòng)量的協(xié)同調(diào)控

針對(duì)上述關(guān)鍵問(wèn)題，陳月月教授團(tuán)隊(duì)和栗建興教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于雙色反旋圓偏振光產(chǎn)生自旋和軌道角動(dòng)量可控的渦旋伽馬光的理論方案。研究團(tuán)隊(duì)基于Baier-Katkov 半經(jīng)典軌跡積分方法，發(fā)展了角動(dòng)量分辨的非線(xiàn)性康普頓散射理論，將輻射光子的自旋和軌道角動(dòng)量納入傳統(tǒng)模擬框架中。一方面，利用雙色反旋圓偏振光與高能電子的非線(xiàn)性康普頓散射，生成了具有獨(dú)特角動(dòng)量譜結(jié)構(gòu)的渦旋伽馬光子，其光譜呈現(xiàn)出螺旋性和扭轉(zhuǎn)方向交替變化的結(jié)構(gòu)化特征。在特定渦旋張角下，伽馬光子的平均拓?fù)浜蓴?shù)可達(dá) ，圓偏振度，如圖a所示；另一方面，電子在兩個(gè)不同波長(zhǎng)、旋向相反的圓偏振激光場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，吸收具有相反自旋角動(dòng)量的激光光子，從而在輻射出的伽馬光子中形成凈的角動(dòng)量轉(zhuǎn)移，該角動(dòng)量的大小與方向可以通過(guò)調(diào)節(jié)兩束激光的相對(duì)強(qiáng)度比實(shí)現(xiàn)連續(xù)可控，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)伽馬光子自旋和軌道角動(dòng)量的同步調(diào)控，如圖b所示。該研究產(chǎn)生了具有特定自旋和軌道角動(dòng)量的渦旋伽馬光子，揭示了非線(xiàn)性康普頓散射過(guò)程中自旋到軌道轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵機(jī)理，推進(jìn)了角動(dòng)量控制技術(shù)從極紫外領(lǐng)域向伽馬射線(xiàn)能區(qū)的延展，有望促進(jìn)高能渦旋粒子在核物理、粒子物理、強(qiáng)場(chǎng)物理等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

該研究成果以“Controlling the Polarization and Vortex Charge of γ Photons via Nonlinear Compton Scattering”（非線(xiàn)性康普頓散射中γ光子極化與拓?fù)浜傻耐秸{(diào)控）為題，于4月17日在線(xiàn)發(fā)表在Physical Review Letters（《物理評(píng)論快報(bào)》）上。上海師范大學(xué)博士研究生江晶晶為該論文第一作者，上海師范大學(xué)陳月月教授和西安交通大學(xué)栗建興教授為該論文的共同通訊作者。

該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的支持。

（供稿、圖片：科技處、數(shù)理學(xué)院）