上海光学精密机械研究所----上海光机所在相对论轻子与离子自旋普适调控方面取得重要进展

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上海光机所在相对论轻子与离子自旋普适调控方面取得重要进展

近日，中国科学院上海光机所超强激光科学与技术全国重点实验室田野研究员和李儒新院士团队提出一种新机制：强激光激发微金属丝产生的表面波，与相对论带电粒子相互作用时实现对其自旋的高效调制，该效应对轻子与离子具有普适性，且适用于GeV甚至TeV能量级的极端相对论粒子。相关成果以“Universal Spin Control of Leptons and Ions via a Laser-Driven Unipolar Surface Wave为题发表于Physical Review Letters。

当自旋粒子在加速器系统中运动时，轨道运动与自旋进动之间的共振会导致束流的极化度显著退化。大型加速器中往往存在数百乃至上千个共振区，为了操控极化粒子自旋矢量方向、防止退极化，需要部署庞大的超导磁铁调制器。每个调制器通常需要数米以上的调制距离，且针对特定粒子种类专门设计。对于未来超大型加速器，这些装置将占用庞大场地，并带来高昂的规划与建设成本。

为突破传统磁铁调制器瓶颈，全光电磁自旋调制器概念应运而生。其以电磁场产生的超强磁场替代磁铁，能够将调制距离降低数个量级。然而，由于绝大多数电磁模式具有双极性质，当前调制方案普遍只能在数MeV的窄能段产生有效调控，难以在GeV-TeV量级的高能加速器中部署；同时，大部分全光自旋调制系统通常针对电子等轻子，难以操纵离子自旋，不具备多粒子泛用性。

基于团队此前发现的强激光驱动表面波放大辐射原理 [Nature 611, 55–60 (2022)]，提出新的解决方案：当强脉冲激光照射金属丝时，电子被从金属丝中激发并发射出来，同时产生近光速沿金属丝传播的表面电磁场。随后，被激发的电子与表面电磁场耦合，将能量泵浦给表面电磁场，增强其场强，从而产生高度局域化的强场单极脉冲。

该单极电磁场的电场强度可达10 GV/m量级，与粒子相互作用时，其等效磁场约为100特斯拉，比传统加速器中的超导磁铁系统高出约两个数量级，从而将所需调控距离由米级降至厘米量级。研究同时提出采用该表面单极场与极端相对论粒子对向传播的构型。该设计中，粒子自旋矢量进动速率与能量无关。验证结果表明，GeV-TeV相对论粒子均可实现高效自旋调控；该机制对电子（轻子）与质子（离子）均能有效操纵，具有宽能谱、多粒子广泛适用性。加之全光系统天然可编程，可实现对极端相对论粒子自旋的“全调控”。

基于这一全新自旋调控机制，未来设计超大型加速系统时，可大幅减少部署超导自旋操纵系统所需的空间与成本；同时，得益于全光系统以及宽粒子种类、宽能量适用性，多粒子实验集成于同一加速系统成为可能，为后续超越标准模型的超高能加速实验提供显著便利。

中国科学院上海光机所2025级博士研究生姜福铭为第一作者，李晓峰、白亚锋副研究员为论文共同通讯作者，论文得到了刘呈普研究员和西安交通大学栗建兴教授的大力指导。该工作得到了基金委基础科学中心项目、青年科学基金A类、上海市基础研究特区计划等支持。