上海光機(jī)所在量子渦旋散射及渦旋量子態(tài)操控方面取得新進(jìn)展

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在量子渦旋散射的角動量特性及高能粒子量子態(tài)操控的研究中取得新進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)從理論上解決了高能粒子散射中的角動量守恒和轉(zhuǎn)移問題，并在此基礎(chǔ)上提出操控高能粒子量子態(tài)特性的新原理，相關(guān)成果發(fā)表在Phys. Rev. D和Phys. Rev. Research上。

眾所周知，上世紀(jì)四五十年代建立的量子場論通常以平面波為基展開進(jìn)行場量子化，該理論體系在過去半個(gè)多世紀(jì)中對高能粒子物理的描述取得了巨大的成功。然而，由于平面波粒子不攜帶內(nèi)稟軌道角動量，該理論一直無法自洽解決粒子散射過程中的角動量問題。另一方面，近三十年來對渦旋光束和粒子束的研究一直都是前沿?zé)狳c(diǎn)問題。然而，目前實(shí)驗(yàn)上產(chǎn)生、測量和操控渦旋束的所有方法都只能應(yīng)用于低能粒子束，對高能粒子由于其量子特征波長遠(yuǎn)小于儀器的特征尺度而失效。因此，理論和實(shí)驗(yàn)上都需要新的方法以實(shí)現(xiàn)對高能渦旋粒子的產(chǎn)生和操控。

研究團(tuán)隊(duì)基于量子電動力學(xué)(QED)，以量子渦旋態(tài)(Bessel模式)為基函數(shù)進(jìn)行場量子化，建立了完備的理論來描述高能粒子散射。由于渦旋態(tài)本身攜帶內(nèi)稟軌道角動量，因此該理論可以自洽解決QED散射過程中的角動量守恒以及自旋軌道耦合等問題。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)渦旋散射的動量譜明顯比平面波理論更寬，這是由于渦旋粒子放寬了散射過程的動量守恒條件；更重要的是理論第一次給出了QED散射的角動量譜。此外還提出通過Beth-Heitler過程產(chǎn)生攜帶內(nèi)稟軌道角動量的渦旋態(tài)高能正電子的方法，并進(jìn)一步發(fā)展了基于散射過程操控高能粒子量子態(tài)特性的新原理。

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圖1 (a)量子渦旋散射示意圖. (b) Beth-Heitler過程產(chǎn)生的電子和正電子軌道角動量譜

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圖2 Breit-Wheeler過程產(chǎn)生的電子在不同自旋下的軌道角動量譜. (a)、(b)和(c)分別對應(yīng)不同的光子自旋極化