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超强激光科学卓越创新简报

(第五百九十八期)

2025年1月24日

上海光机所与中山大学合作提出高能粒子涡旋特性探测的原创方案

近期，中国科学院上海光学精密机械研究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，提出了一种新的高能涡旋态粒子探测方法，通过一种叫做“Superkick”的奇特散射结果来揭示高能粒子波函数的涡旋相位特性。相关研究成果以 “Unambiguous Detection of High-Energy Vortex States via the Superkick Effect”为题发表在Physical Review Letters。并被PRL选为“Editors’ Suggestions”和“Featured in Physics”。

在产生涡旋粒子后，首要任务便是确认这些粒子是否具备涡旋特性，即对其涡旋特性进行诊断。传统的诊断方法通常依赖于叉形光栅衍射技术，通过解析衍射图案来揭示入射粒子的涡旋属性。然而，当粒子能量提升，其德布罗意波长随之缩短，传统的衍射方法不再适用。因此，迫切需要发展新的方案，以突破现有原理的局限，实现对高能涡旋粒子的精准探测。

研究团队提出了一种基于“Superkick”效应的新型诊断方法。这一方法能够明确检测涡旋相位的存在。“Superkick”效应的概念最初由Barnett和Berry于2013年提出，指的是当一个原子被置于涡流光束的轴线附近时，原子所感受到的局域横向动量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理验证方案，将拉盖-高斯波包涡旋态电子与紧聚焦的高斯波包电子进行非共轴对撞。根据研究团队的理论计算，两个电子在散射过程中，将产生一个非零的总横向动量。该方案不但为量子涡旋态的高能粒子实验探测指明了清晰的方向，也有望实现 “Superkick”效应的直接验证。同时，由于散射是一种常见的粒子物理研究手段，因此该方案亦可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

图1：实验原理示意图

图2：（a）-（b）不同碰撞参数下末态散射粒子总的横向动量分布情况。（c）非涡旋情况下末态散射粒子总的横向动量分布情况

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