涡旋现象在自然界中无处不在，从液氮中的量子涡旋到海洋环流与台风，再到银河系的螺旋星系，无不展示其普遍性。近三十年来科学研究揭示，涡旋不仅在宏观物质中显现，也广泛存在于光束或粒子束，甚至微观的光子、电子等粒子的物质波结构中，这种奇异的结构被称为量子涡旋态。涡旋态粒子的波函数呈现出螺旋型的相位波前，这一特性赋予了它们沿传播方向携带确定的内禀轨道角动量。图1展示了平面波粒子与涡旋粒子之间的显著差异，左边是不具有涡旋特性的平面波粒子，中间和右边描绘了轨道角动量量子数分别为1和2的涡旋波函数，其螺旋状波前结构是涡旋粒子的标志。
图1 涡旋粒子波函数结构示意图 [Phys. Rep. 690, 1–70 (2017)]
自从20世纪90年代涡旋态概念首次从理论上提出以来，这种具有特殊结构的粒子束或单粒子态如何在实验上产生并探测就一直是人们关注的重要问题。为此，科学家提出多种方法来操控粒子束的涡旋结构，包括使用螺旋相位板，叉型光栅衍射，对于具有磁矩的粒子还可以利用磁针尖端的散射产生涡旋结构，如图2所示。这些方法可以实现对光学激光、非相对论电子束、低能中子或原子等涡旋结构的操控[Phys. Rep. 690, 1–70 (2017)]；在自由电子激光器中，将波荡器调整为螺旋形结构也可以产生具有涡旋结构的紫外线和软X射线 [Phys. Rev. Lett. 109, 224801 (2012)]。然而，这些方法只适用于低能涡旋粒子束的产生与探测诊断。高能粒子由于波长极短，任何材料器件都无法实现对其波函数结构的调控，因此高能涡旋粒子的产生与探测目前依然具有很大挑战性 [Prog. Part. Nucl. Phys. 127, 103987(2022)]。
图2 产生低能涡旋粒子的原理图 [Phys. Rep. 690, 1–70 (2017)]
近期，中国科学院上海光机所强场激光物理国家重点实验室研究团队提出利用圆偏振激光与高能电子束的非线性Compton散射产生GeV能量的涡旋态电子束的新方案，文章以“Generation of Quantum Vortex Electrons with Intense Laser Pulses”为题发表在Advanced Science期刊上 [Adv. Sci. 11, 2404564 (2024)]，其原理如图3(a)所示。
图3 (a) 基于非线性涡旋Compton散射产生高能量子涡旋态电子的示意图；(b) 散射电子和辐射γ-光子的内禀轨道角动量谱；(c) 电子平均角动量随激光振幅的平方定标率
通过构建非线性涡旋散射理论，研究团队自洽解决了涡旋QED散射中的多光子吸收及角动量转移分配机制的理论描述。在强激光的驱动下，Compton散射展现出非线性特性，一次散射中可能同时吸收多个圆偏振激光光子，这些光子的自旋提供了很大的总角动量值。研究发现，在弱非线性区域，吸收的激光光子自旋基本都传递给了辐射γ-光子，电子几乎没有获得净的角动量。随着驱动激光强度的增加，散射过程进入高度非线性区域，此时辐射反作用导致大量被吸收的激光光子自旋角动量传递给了散射电子的轨道角动量，且角动量中心值lc与吸收光子数N满足线性关系：lc = κN，κ是表征辐射反作用强度的量子参数。这是一种新的角动量转移与分配机制，基于这种机制，散射电子可以获得大量内禀轨道角动量，见图3(b)，使其量子波函数被扭曲为涡旋态。该发现改变了以往人们认为非线性涡旋散射中激光光子自旋只能传递给辐射光子轨道角动量的普遍认知。
通过该机制，在1020 W/cm2的激光场下GeV能量的电子散射后获得的平均轨道角动量可达到100ℏ量级，且该平均轨道角动量随激光强度增长满足线性定标率，如图3(c)所示。因此，这是一种高效的产生大角动量涡旋态电子的方法。进一步研究还发现，产生的涡旋态电子在激光场下可以继续发生散射，导致辐射的γ-光子谱出现独特的双峰结构，这与通常平面波电子散射产生的单峰辐射谱截然不同，有望为识别高能涡旋态电子提供潜在的方案。
高能涡旋态电子产生后如何在实验上对其相位涡旋特性进行探测诊断也是一直以来具有挑战性的难题。随着粒子能量的提升，其物质波波长缩短，传统的衍射方法也不再适用。因此，我们需要一种创新的方案以突破现有原理的局限，实现对高能涡旋粒子的精准探测。
为解决这个问题，上海光机所强场激光物理国家重点实验室与中山大学物理与天文学院合作，提出了一种新型探测高能涡旋态电子的方法。通过“Superkick”这一奇特的相位涡旋效应来诊断高能粒子波函数的涡旋特性。“Superkick”效应的概念最初由Barnett和Berry于2013年提出，他们发现当一个原子被置于涡流光束的相位奇点附近时，它感受到的局部横向动量可以远超涡旋光束实际携带的动量。研究团队运用这一原理，设计了高能涡旋电子诊断的原创方案[ Phys. Rev. Lett. 133, 265001 (2024), Editors’ Suggestions]。
该原理如图4(a)所示，当两个电子发生Møller散射后将产生非零的总横向动量，且偏移方向与碰撞参数垂直。由于涡旋相位的存在，电子波函数中产生一个局域的沿方位角方向的切向动量，越靠近中心奇点时，该横向动量将显著增大，甚至远超涡旋电子的平均横向动量。由于散射过程必须满足动量守恒，这一局域的切向动量导致末态散射电子的总横向动量分布中心出现显著偏移，产生 “Superkick”效应，见图4(b)和(c)。理论计算发现10 MeV的涡旋态电子，散射后信号电子可以获得百eV大小的切向动量，达到可实验探测的水平。由于实验中将使用电子束的对撞，研究团队对不同电子之间的对准抖动、探测器的动量分辨率以及信号产额等关键因素进行了充分考虑，并对不同碰撞参数下“Superkick”效应的统计显著性做了分析，确认了该实验方案的可行性。
图4 (a) 基于Superkick效应探测高能涡旋态电子的原理图；碰撞参数b=5 nm (b)和b=15 nm (c)下末态散射电子总的横向动量分布
高能涡旋态粒子携带内禀轨道角动量这一新的自由度，有望为微观粒子结构的探索带来新的技术手段，将大大推动高能粒子与核物理、天体物理等领域的发展。相关研究为实验室利用强激光技术产生高能涡旋态粒子提供了新的原理与技术方案。同时，“Superkick”效应的应用不仅为高能涡旋态粒子的实验探测指明了方向，也有望实现 “Superkick”效应的直接验证，并可以推广至更多类型的高能涡旋粒子探测，如高能涡旋光子和质子等。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/advs.202404564
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