Igor Ivanov教授团队提出探测涡旋电子的新方案
中山大学物理与天文学院Igor Ivanov教授研究团队与中国科学院上海光学精密机械研究所（SIOM）合作，提出了探测电子涡旋态的新方案。该成果以Unambiguous detection of high energy vortex states via the superkick effect（基于超踢效应探测高能涡旋态）为题于2024年12月23日发表在物理学国际顶级期刊 Physical Review Letters。中山大学物理与天文学院为论文第一署名单位，中山大学物理与天文学院2024届本科生毕业生李政江、2022级博士研究生刘贝和上海光机所博士研究生刘世宇分别为共同第一作者，Igor Ivanov教授和上海光机所的吉亮亮研究员为共同通讯作者。本论文被期刊网站列为编辑推荐，并在Physics杂志上发表了相应的推荐文章。上述工作得到国家自然科学基金，中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划，国家重点研发计划等项目的支持。
涡旋态是描述自由传播的光子、电子或其它微观粒子的特殊波包，它们具有绕着传播方向旋转的螺旋状波阵面。处于这种状态的每个粒子都有一个固有的轨道角动量，这是一个不同于自旋的新的可调节量子数。涡旋态粒子的碰撞在研究原子、原子核以及强子物理中有很大的前景。低能涡旋态的光子、电子和中子已经在实验室制备出来，并且给出了许多将它们加速到更高能量的提议。中山大学物理与天文学院在涡旋粒子高能物理应用领域开展了大量研究工作。
图1. 宽涡旋电子波包与紧凑高斯波包的碰撞示意图、碰撞导致的整体横向动量
一旦高能涡旋电子或光子被制备出来，就必须先验证它们确实处于涡旋态。这是一项艰巨的任务，因为现有的探测方案是为低能态设计的，在MeV和GeV能量范围内表现不佳。在这篇新论文中，Igor Ivanov教授与合作者表明，电子束的漩涡状态可以通过弹性散射准确地识别出来。这种方法基于一种与涡旋态特殊动量分布有关的超踢效应，该效应从理论上预测涡旋光与原子相互作用时存在特殊的横向动量分布，但从未在实验中观察到。
图2. 两个电子散射的总横向动量分布与高斯探针的偏离方向正交
在这篇论文中，作者考虑了两个能量为10 MeV的电子弹性碰撞的超踢效应，其中一个电子处于漩涡态，另一个电子为被作为探针的紧凑的高斯波包，其传播方向偏离漩涡态的中心轴。当电子散射具有足够大的横向动量转移时，安装在波束轴附近的探测器捕获它们并测量它们的偏转角度，由此可以计算出总的横向动量。计算表明，在涡旋态存在的情况下，两个散射电子获得的总横向动量与用于探测的高斯波包态的偏离方向正交，并且这个动量随着碰撞点越来越接近漩涡中心轴而增大——这正是超踢效应的一个清晰的特征，也是漩涡态波束散射的一个必然结果。
