数理学院陈月月教授团队在伽马光角动量调控研究中取得进展

近期，我校数理学院陈月月教授和西安交通大学栗建兴教授团队在涡旋伽马光子角动量操控方面取得进展。针对高能涡旋伽马光子自旋和轨道角动量协同调控的难题，该团队发展了基于双色反旋圆偏振光的涡旋散射理论，提出了利用双色反旋圆偏振光产生角动量可控的涡旋伽马光的理论方案。

高能涡旋光源与传统光源相比，具有高亮度、穿透能力强、高速信息处理以及能够携带轨道角动量等显著优势，为调控伽马射线与同核异能态的相互作用提供了全新的实验手段，同时也推动着从微观到宏观多个科学前沿领域的发展。通过双色反旋圆偏振光的高次谐波产生可实现对极紫外阿秒脉冲角动量的调控，而更高光子能量的涡旋光束的制备和角动量调控仍面临巨大挑战。利用强拉盖尔-高斯激光或两个对向传播的圆偏振激光与近临界密度等离子体相互作用，可以产生携带可控轨道角动量的高能伽马射线。但这些方案主要局限于经典外禀角动量的传递调控，缺乏对光子自旋角动量与轨道角动量间耦合机制的精确掌控。实现面向量子辐射过程的自旋-轨道协同调控，仍是当前强场量子电动力学研究中的关键前沿问题。

双色反旋圆偏振光驱动伽马光角动量调控的示意图

a.非线性康普顿散射产生具有特殊角动量谱的涡旋伽马光

  b.双色反旋圆偏振光对伽马光自旋和轨道角动量的协同调控

针对上述关键问题，陈月月教授团队和栗建兴教授团队提出了一种基于双色反旋圆偏振光产生自旋和轨道角动量可控的涡旋伽马光的理论方案。研究团队基于Baier-Katkov 半经典轨迹积分方法，发展了角动量分辨的非线性康普顿散射理论，将辐射光子的自旋和轨道角动量纳入传统模拟框架中。一方面，利用双色反旋圆偏振光与高能电子的非线性康普顿散射，生成了具有独特角动量谱结构的涡旋伽马光子，其光谱呈现出螺旋性和扭转方向交替变化的结构化特征。在特定涡旋张角下，伽马光子的平均拓扑荷数可达 ，圆偏振度，如图a所示；另一方面，电子在两个不同波长、旋向相反的圆偏振激光场中运动，吸收具有相反自旋角动量的激光光子，从而在辐射出的伽马光子中形成净的角动量转移，该角动量的大小与方向可以通过调节两束激光的相对强度比实现连续可控，从而实现了对伽马光子自旋和轨道角动量的同步调控，如图b所示。该研究产生了具有特定自旋和轨道角动量的涡旋伽马光子，揭示了非线性康普顿散射过程中自旋到轨道转移的关键机理，推进了角动量控制技术从极紫外领域向伽马射线能区的延展，有望促进高能涡旋粒子在核物理、粒子物理、强场物理等领域的广泛应用。

该研究成果以“Controlling the Polarization and Vortex Charge of γ Photons via Nonlinear Compton Scattering”（非线性康普顿散射中γ光子极化与拓扑荷的同步调控）为题，于4月17日在线发表在Physical Review Letters（《物理评论快报》）上。上海师范大学博士研究生江晶晶为该论文第一作者，上海师范大学陈月月教授和西安交通大学栗建兴教授为该论文的共同通讯作者。

该工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划等项目经费的支持。

（供稿、图片：科技处、数理学院）