超強(qiáng)激光科學(xué)卓越創(chuàng)新簡(jiǎn)報(bào)

(第五百九十八期)

2025年1月24日

上海光機(jī)所與中山大學(xué)合作提出高能粒子渦旋特性探測(cè)的原創(chuàng)方案

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)室與中山大學(xué)物理與天文學(xué)院合作，提出了一種新的高能渦旋態(tài)粒子探測(cè)方法，通過(guò)一種叫做“Superkick”的奇特散射結(jié)果來(lái)揭示高能粒子波函數(shù)的渦旋相位特性。相關(guān)研究成果以 “Unambiguous Detection of High-Energy Vortex States via the Superkick Effect”為題發(fā)表在Physical Review Letters。并被PRL選為“Editors’ Suggestions”和“Featured in Physics”。

在產(chǎn)生渦旋粒子后，首要任務(wù)便是確認(rèn)這些粒子是否具備渦旋特性，即對(duì)其渦旋特性進(jìn)行診斷。傳統(tǒng)的診斷方法通常依賴于叉形光柵衍射技術(shù)，通過(guò)解析衍射圖案來(lái)揭示入射粒子的渦旋屬性。然而，當(dāng)粒子能量提升，其德布羅意波長(zhǎng)隨之縮短，傳統(tǒng)的衍射方法不再適用。因此，迫切需要發(fā)展新的方案，以突破現(xiàn)有原理的局限，實(shí)現(xiàn)對(duì)高能渦旋粒子的精準(zhǔn)探測(cè)。

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于“Superkick”效應(yīng)的新型診斷方法。這一方法能夠明確檢測(cè)渦旋相位的存在。“Superkick”效應(yīng)的概念最初由Barnett和Berry于2013年提出，指的是當(dāng)一個(gè)原子被置于渦流光束的軸線附近時(shí)，原子所感受到的局域橫向動(dòng)量遠(yuǎn)超渦旋光束實(shí)際攜帶的動(dòng)量。研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用這一原理，設(shè)計(jì)了高能渦旋電子診斷的原理驗(yàn)證方案，將拉蓋-高斯波包渦旋態(tài)電子與緊聚焦的高斯波包電子進(jìn)行非共軸對(duì)撞。根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)的理論計(jì)算，兩個(gè)電子在散射過(guò)程中，將產(chǎn)生一個(gè)非零的總橫向動(dòng)量。該方案不但為量子渦旋態(tài)的高能粒子實(shí)驗(yàn)探測(cè)指明了清晰的方向，也有望實(shí)現(xiàn) “Superkick”效應(yīng)的直接驗(yàn)證。同時(shí)，由于散射是一種常見的粒子物理研究手段，因此該方案亦可推廣至更多類型的高能渦旋粒子探測(cè)，如高能渦旋光子和質(zhì)子等。

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圖1：實(shí)驗(yàn)原理示意圖

圖2：（a）-（b）不同碰撞參數(shù)下末態(tài)散射粒子總的橫向動(dòng)量分布情況。（c）非渦旋情況下末態(tài)散射粒子總的橫向動(dòng)量分布情況