在高能物理的世界里，伽馬射線(xiàn)向來(lái)以“直線(xiàn)狂飆”的硬核形象著稱(chēng)——作為能量最高、穿透力最強(qiáng)的光子，它的傳播路徑筆直且難以調(diào)控，是核物理探測(cè)、天體觀(guān)測(cè)等領(lǐng)域的“關(guān)鍵選手”。而在低能波段，從可見(jiàn)光到激光，早已解鎖“渦旋”這一特殊技能：這類(lèi)攜帶軌道角動(dòng)量的渦旋光，能像陀螺一樣旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，在光學(xué)操控、量子通信、精密測(cè)量等領(lǐng)域綻放異彩。

遺憾的是，將渦旋特性拓展至伽馬射線(xiàn)能區(qū)，長(zhǎng)期以來(lái)是國(guó)際強(qiáng)場(chǎng)物理領(lǐng)域的“硬骨頭”。一方面，伽馬射線(xiàn)波長(zhǎng)極短、穿透力極強(qiáng)，傳統(tǒng)光學(xué)測(cè)量手段難以捕捉其相位信息；另一方面，經(jīng)典輻射理論無(wú)法準(zhǔn)確刻畫(huà)高能光子的軌道角動(dòng)量特征，缺乏可操作的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致高能渦旋伽馬射線(xiàn)始終停留在“理論可設(shè)想、實(shí)驗(yàn)難證實(shí)”的階段，限制了其在前沿領(lǐng)域的應(yīng)用探索。

渦旋γ光子藝術(shù)構(gòu)想圖

近日，這一僵局被打破。上海交通大學(xué)暗物質(zhì)物理全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、激光等離子體教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張杰院士團(tuán)隊(duì)閆文超長(zhǎng)聘教軌副教授，與西安交通大學(xué)栗建興教授聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，在《Physical Review Letters》發(fā)表重磅成果——基于全光學(xué)逆康普頓散射機(jī)制，國(guó)際首次在強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)（QED）實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了MeV能區(qū)渦旋伽馬光子，為高能光子研究開(kāi)辟了全新路徑。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的成功，源于精巧的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。研究團(tuán)隊(duì)依托上海交大“多參數(shù)全光康普頓散射強(qiáng)場(chǎng)QED實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”（EPATCS），采用超短超強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的激光尾場(chǎng)加速技術(shù)獲取高品質(zhì)電子源，同時(shí)引入攜帶明確軌道角動(dòng)量的拉蓋爾高斯模式激光作為對(duì)撞光束。當(dāng)相對(duì)論電子束與渦旋激光發(fā)生逆康普頓散射時(shí)，不僅將光子能量提升至MeV量級(jí)，更通過(guò)角動(dòng)量守恒，讓對(duì)撞激光的軌道角動(dòng)量成功傳遞給伽馬光子。

為解決“難驗(yàn)證”的核心問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)提出了全新實(shí)驗(yàn)判據(jù)：在QED框架下，渦旋光子的傳播可視為動(dòng)量空間中圓錐面分布的平面波疊加，必然伴隨橫向動(dòng)量發(fā)散，表現(xiàn)為統(tǒng)計(jì)意義上的展寬橫向角分布。這一設(shè)計(jì)避開(kāi)了直接測(cè)量相位的難題，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：渦旋激光條件下產(chǎn)生的伽馬射線(xiàn)角發(fā)散顯著大于高斯激光情形，且該差異無(wú)法用經(jīng)典輻射機(jī)制解釋?zhuān)蔀闇u旋伽馬光子存在的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

這項(xiàng)成果的意義遠(yuǎn)超實(shí)驗(yàn)本身。它不僅為研究光子角動(dòng)量在高能輻射、強(qiáng)場(chǎng)QED過(guò)程中的傳遞機(jī)制提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)依據(jù)，更搭建起渦旋伽馬光子與核物理研究的橋梁——未來(lái)有望應(yīng)用于核共振選擇性激發(fā)、核結(jié)構(gòu)探測(cè)等前沿方向。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)依托的EPATCS平臺(tái)，還具備向醫(yī)療領(lǐng)域如新型腫瘤放療技術(shù)、國(guó)家重大需求如激光聚變?cè)\斷拓展的潛力，將為多學(xué)科交叉創(chuàng)新提供支撐。

從低能光的“渦旋舞步”到伽馬射線(xiàn)的“旋轉(zhuǎn)突破”，這項(xiàng)全球獨(dú)有的實(shí)驗(yàn)不僅填補(bǔ)了高能渦旋輻射領(lǐng)域的空白，更讓人類(lèi)對(duì)光子角動(dòng)量的認(rèn)知延伸至更高能量尺度，為強(qiáng)場(chǎng)物理、核物理、量子力學(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究注入新的活力。

EPATCS平臺(tái)

該實(shí)驗(yàn)在 “多參數(shù)全光康普頓散射強(qiáng)場(chǎng)QED實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”（簡(jiǎn)稱(chēng)EPATCS）開(kāi)展，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：閆文超，項(xiàng)目編號(hào)：2021YFA1601700）的資助下，閆文超課題組依托上海交大“重明激光等離子體實(shí)驗(yàn)裝置（CLEF）”搭建EPATCS平臺(tái)。EPATCS平臺(tái)解決了強(qiáng)場(chǎng)QED實(shí)驗(yàn)研究中電子品質(zhì)控制、極端光場(chǎng)調(diào)控、高精度時(shí)空同步、輻射精密診斷等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，為全面系統(tǒng)的開(kāi)展全光康普頓散射強(qiáng)場(chǎng)QED相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。該平臺(tái)主要圍繞三大方向拓展研究：一是面向世界科技前沿，聚焦基礎(chǔ)物理領(lǐng)域——作為國(guó)內(nèi)首個(gè)強(qiáng)場(chǎng)QED專(zhuān)用線(xiàn)站，開(kāi)展QED效應(yīng)驗(yàn)證、智能AI激光電子加速、極端光場(chǎng)調(diào)控、渦旋γ光子產(chǎn)生及其核反應(yīng)等研究，為軸子等暗物質(zhì)候選粒子的探索提供支撐；二是面向人民生命健康，深耕醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域——基于精準(zhǔn)調(diào)控的γ射線(xiàn)與電子束，探索新型腫瘤放療技術(shù)，推動(dòng)放療精準(zhǔn)化發(fā)展；三是面向國(guó)家重大需求，服務(wù)激光聚變?cè)\斷——提供涵蓋 THz、中紅外、X 射線(xiàn)、γ射線(xiàn)的寬波段輻射源，支撐相關(guān)領(lǐng)域核心技術(shù)突破。

科研人員在“多參數(shù)全光康普頓散射強(qiáng)場(chǎng)QED實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”EPATCS上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)

該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（No. 2021YFA1601700，No. 2024YFA1610900）、教育部學(xué)科交叉突破計(jì)劃(JYB2025XDXM204)、國(guó)家自然科學(xué)基金(Grants No. 12074251, No. 11991073, No. 12425510, No. U2267204, No. 12441506, No. 12225505)、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)(Grants No. XDA25010500, No. XDA25030400, No. XDA25010100)、上海市經(jīng)信委智能百團(tuán)百項(xiàng)(Grand No. 2025-GZL-RGZN-BTBX-02029)、以及陽(yáng)陽(yáng)發(fā)展基金等項(xiàng)目的支持。

編輯：Zoey

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