近期，我校數理學院陳月月教授和西安交通大學栗建興教授團隊在渦旋伽馬光子角動量操控方面取得進展。針對高能渦旋伽馬光子自旋和軌道角動量協同調控的難題，該團隊發展了基于雙色反旋圓偏振光的渦旋散射理論，提出了利用雙色反旋圓偏振光產生角動量可控的渦旋伽馬光的理論方案。

高能渦旋光源與傳統光源相比，具有高亮度、穿透能力強、高速信息處理以及能夠攜帶軌道角動量等顯著優勢，為調控伽馬射線與同核異能態的相互作用提供了全新的實驗手段，同時也推動著從微觀到宏觀多個科學前沿領域的發展。通過雙色反旋圓偏振光的高次諧波產生可實現對極紫外阿秒脈沖角動量的調控，而更高光子能量的渦旋光束的制備和角動量調控仍面臨巨大挑戰。利用強拉蓋爾-高斯激光或兩個對向傳播的圓偏振激光與近臨界密度等離子體相互作用，可以產生攜帶可控軌道角動量的高能伽馬射線。但這些方案主要局限于經典外稟角動量的傳遞調控，缺乏對光子自旋角動量與軌道角動量間耦合機制的精確掌控。實現面向量子輻射過程的自旋-軌道協同調控，仍是當前強場量子電動力學研究中的關鍵前沿問題。

雙色反旋圓偏振光驅動伽馬光角動量調控的示意圖

a.非線性康普頓散射產生具有特殊角動量譜的渦旋伽馬光

  b.雙色反旋圓偏振光對伽馬光自旋和軌道角動量的協同調控

針對上述關鍵問題，陳月月教授團隊和栗建興教授團隊提出了一種基于雙色反旋圓偏振光產生自旋和軌道角動量可控的渦旋伽馬光的理論方案。研究團隊基于Baier-Katkov 半經典軌跡積分方法，發展了角動量分辨的非線性康普頓散射理論，將輻射光子的自旋和軌道角動量納入傳統模擬框架中。一方面，利用雙色反旋圓偏振光與高能電子的非線性康普頓散射，生成了具有獨特角動量譜結構的渦旋伽馬光子，其光譜呈現出螺旋性和扭轉方向交替變化的結構化特征。在特定渦旋張角下，伽馬光子的平均拓撲荷數可達 ，圓偏振度，如圖a所示；另一方面，電子在兩個不同波長、旋向相反的圓偏振激光場中運動，吸收具有相反自旋角動量的激光光子，從而在輻射出的伽馬光子中形成凈的角動量轉移，該角動量的大小與方向可以通過調節兩束激光的相對強度比實現連續可控，從而實現了對伽馬光子自旋和軌道角動量的同步調控，如圖b所示。該研究產生了具有特定自旋和軌道角動量的渦旋伽馬光子，揭示了非線性康普頓散射過程中自旋到軌道轉移的關鍵機理，推進了角動量控制技術從極紫外領域向伽馬射線能區的延展，有望促進高能渦旋粒子在核物理、粒子物理、強場物理等領域的廣泛應用。

該研究成果以“Controlling the Polarization and Vortex Charge of γ Photons via Nonlinear Compton Scattering”（非線性康普頓散射中γ光子極化與拓撲荷的同步調控）為題，于4月17日在線發表在Physical Review Letters（《物理評論快報》）上。上海師范大學博士研究生江晶晶為該論文第一作者，上海師范大學陳月月教授和西安交通大學栗建興教授為該論文的共同通訊作者。

該工作得到了國家自然科學基金委、國家重點研發計劃等項目經費的支持。

（供稿、圖片：科技處、數理學院）