【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 結(jié)構(gòu)粒子束(如結(jié)構(gòu)光束、電子束等)已在顯微成像、光學(xué)操控、計(jì)量學(xué)、信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要價(jià)值。近年來，非相對(duì)論體系中的結(jié)構(gòu)自旋極化粒子更是在自旋電子學(xué)和量子材料研究中引起廣泛關(guān)注。相對(duì)論結(jié)構(gòu)自旋極化粒子束雖然在高能自旋分辨實(shí)驗(yàn)、拓?fù)渥孕龖B(tài)寫入與擦除、以及高亮度結(jié)構(gòu)γ光的產(chǎn)生等前沿方向具有潛在應(yīng)用價(jià)值，但是目前相對(duì)論結(jié)構(gòu)自旋極化輕子束的產(chǎn)生一直是研究空白，傳統(tǒng)的自旋操控裝置(如自旋旋轉(zhuǎn)器、韋恩濾波器、西伯利亞蛇等)往往只能在縱向和橫向極化之間切換，缺乏對(duì)空間自旋結(jié)構(gòu)的靈活調(diào)控，而超強(qiáng)超短激光雖然為自旋調(diào)控提供了全新可能，但其超強(qiáng)橫向場(chǎng)極易導(dǎo)致束流品質(zhì)下降。
 

圖1：在波導(dǎo)中利用太赫茲產(chǎn)生結(jié)構(gòu)極化輕子束。（a）輕子束自旋在與TE01模式相互作用過程中的時(shí)間演化。（b）輕子自旋進(jìn)動(dòng)與空間磁場(chǎng)匹配示意圖。（c）波導(dǎo)模式為TE01模時(shí)極化結(jié)構(gòu)的龐加萊球表示。（d）在TE01模式下，輕子自旋相對(duì)于太赫茲相位在x-z平面上的演化。（e）不同自旋極化模式匹配產(chǎn)生的極化結(jié)構(gòu)。
 

　　近期，西安交通大學(xué)物理學(xué)院栗建興教授團(tuán)隊(duì)提出并發(fā)展了一種在太赫茲波導(dǎo)管中通過極化-模式匹配產(chǎn)生結(jié)構(gòu)極化輕子束的方案。研究表明，當(dāng)太赫茲電磁模式與輕子束自旋極化態(tài)實(shí)現(xiàn)空間匹配時(shí)，可以在保持束流品質(zhì)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋結(jié)構(gòu)的精確操控。例如，在TE01模作用下，根據(jù)輕子束的極化-模式匹配的不同，可以產(chǎn)生“蜘蛛狀”“螺旋型”、角向和徑向極化等多樣化的自旋結(jié)構(gòu)。
 

　　該研究的核心創(chuàng)新在于將波導(dǎo)中特定電磁模式與輕子束自旋極化狀態(tài)精確匹配。該方案克服了傳統(tǒng)自旋控制技術(shù)只能在縱向和橫向極化間切換的局限，實(shí)現(xiàn)了在皮秒尺度的自旋操控，還可以有效抑制束流發(fā)散和能散，保持束流品質(zhì)。該方案基于現(xiàn)有太赫茲技術(shù)條件，參數(shù)可行性高，且適用于電子、繆子、陶子等多種輕子束。團(tuán)隊(duì)通過理論模擬與參數(shù)優(yōu)化，系統(tǒng)分析了波導(dǎo)模式、相速度匹配、自旋-磁場(chǎng)夾角等關(guān)鍵因素對(duì)自旋結(jié)構(gòu)的影響，還討論了通過脈沖整形、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和輕子束匹配等途徑進(jìn)一步優(yōu)化的可能性，為實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。
 

　　相關(guān)成果以《相對(duì)論結(jié)構(gòu)自旋極化輕子束的產(chǎn)生》(“Generation of Relativistic Structured Spin-Polarized Lepton Beams”)為題，在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上發(fā)表。物理學(xué)院李中鵬助理教授為該論文第一作者，物理學(xué)院栗建興教授為該論文的唯一通訊作者。本研究獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、中核集團(tuán)創(chuàng)新科學(xué)計(jì)劃、陜西基礎(chǔ)科學(xué)(數(shù)學(xué)、物理學(xué))研究院等項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的支持。
 

　　栗建興教授團(tuán)隊(duì)長期從事高能量密度物理研究，包括人工智能賦能的強(qiáng)場(chǎng)物理、強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的QED效應(yīng)、激光核物理等，在本領(lǐng)域國際重要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表代表性成果60余篇，包括PRL 12篇，受邀在本領(lǐng)域國際重要學(xué)術(shù)會(huì)議做邀請(qǐng)報(bào)告50余次。研究團(tuán)隊(duì)隸屬于物理學(xué)院激光與粒子束科學(xué)技術(shù)研究所，研究所主要研究方向包括：基于加速器和強(qiáng)激光的高能量密度物理及聚變科學(xué)；電子/離子碰撞及激光引起的超快反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；基于超強(qiáng)激光的粒子加速和輻射源及強(qiáng)場(chǎng)QED效應(yīng)；加速器科學(xué)技術(shù)在醫(yī)療、核能、材料等領(lǐng)域的應(yīng)用。近5年，研究所主持獲批國家級(jí)重點(diǎn)、重大項(xiàng)目10余項(xiàng)，在物理頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文20余篇。