前沿进展 | 利用超强激光实现螺旋度传递效应

01 导读

近日，西安交通大学李彦霏副教授与上海师范大学陈月月教授、德国马克思普朗克核物理研究所合作，揭示了量子电动力学（QED）顶角辐射修正相关的电子反常磁矩对电子自旋动力学过程的全新作用机制，证明了非线性Compton散射中入射光子和散射电子间存在显著的螺旋度传递效应。该工作将有力地推动QED理论的完善，在高能物理、天体物理等离子体物理等领域具有广阔的应用前景。研究成果以“Helicity Transfer in Strong Laser Fields via the Electron Anomalous Magnetic Moment”为题于4月27日发表在Physical Review Letters上。2022 | 前沿进展

02 研究背景

近年来，超强激光技术的迅速发展，尤其是10~100 PW超强激光时代的到来，为量子电动力学（QED）的理论验证提供了前所未有的极端实验条件。利用超强激光条件下的辐射自旋极化机制，可以在fs（10^-15s）时间尺度内产生高度自旋极化的电子（正电子）束。然而，基于该QED效应产生的自旋极化方向垂直于电子运动方向，不能满足高精度高能物理实验对纵向极化电子的需求。电子束的螺旋度信息，即方向平行或反平行于运动方向的自旋极化度，因具有更广阔的应用前景而受到普遍关注。利用激光康普顿散射过程中粒子间的螺旋度传递效应有望产生纵向极化电子束，为解决上述问题提供了新思路。然而，以往的系列研究表明，无论线性还是非线性机制下，从入射光子到散射电子间无法出现有效的螺旋度传递效应。

03 研究创新点

西安交通大学李彦霏副教授与上海师范大学陈月月教授、德国马克思普朗克核物理研究所科研人员（Karen Z. Hatsagortsyan，Christoph H. Keitel）合作，采用全自旋分辨的蒙特卡洛数值模拟方法，研究了超短超强激光和相对论电子束的非线性Compton散射过程。该团队发现，在圆偏振超强激光场中，电子瞬态辐射极化矢量与激光场矢量的相位匹配（同向或反向），且电子反常磁矩导致了自旋旋转效应。同时，经多次散射过程累积后，散射电子出现了实验可探测的纵向极化度，从而实现了从入射光子到散射电子间的螺旋度传递（过程示意图如图1）。图1 圆偏振超强激光-电子束非线性Compton散射过程中螺旋度传递过程示意图散射电子束极化度在动量角空间的分布结果如图2，散射电子束带有明显纵向极化信息，且纵向极化度与电子散射角度和能量相关，最高可达10%以上。该极化度远高于当前实验探测能力（约0.5%），因此可用于实验观测并验证QED辐射修正效应。同时，电子在垂直运动方向上具有沿着径向的极化信息，且横向极化度与电子散射角度相关，最高可达65%。该自旋极化电子束可被应用于高能物理、材料物理与核物理等领域。  图2 电子数密度(a)、纵向极化度(b)、横向极化度(c)在动量角空间分布；电子自旋极化度和密度随散射角(d)和电子能量(e)分布

04 总结与展望

该研究结果揭示了QED顶角辐射修正相关的电子反常磁矩对电子自旋动力学过程的全新作用机制，提出了利用超强激光条件研究QED辐射修正效应的全新途径，并为利用强激光产生纵向极化电子提供了新思路。

西安交通大学李彦霏副教授和上海师范大学陈月月教授分别文章第一、二作者及通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.174801

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