【儀表網 研發快訊】 結構粒子束(如結構光束、電子束等)已在顯微成像、光學操控、計量學、信息存儲等領域展現出重要價值。近年來，非相對論體系中的結構自旋極化粒子更是在自旋電子學和量子材料研究中引起廣泛關注。相對論結構自旋極化粒子束雖然在高能自旋分辨實驗、拓撲自旋態寫入與擦除、以及高亮度結構γ光的產生等前沿方向具有潛在應用價值，但是目前相對論結構自旋極化輕子束的產生一直是研究空白，傳統的自旋操控裝置(如自旋旋轉器、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，缺乏對空間自旋結構的靈活調控，而超強超短激光雖然為自旋調控提供了全新可能，但其超強橫向場極易導致束流品質下降。
圖1：在波導中利用太赫茲產生結構極化輕子束。（a）輕子束自旋在與TE01模式相互作用過程中的時間演化。（b）輕子自旋進動與空間磁場匹配示意圖。（c）波導模式為TE01模時極化結構的龐加萊球表示。（d）在TE01模式下，輕子自旋相對于太赫茲相位在x-z平面上的演化。（e）不同自旋極化模式匹配產生的極化結構。
近期，西安交通大學物理學院栗建興教授團隊提出并發展了一種在太赫茲波導管中通過極化-模式匹配產生結構極化輕子束的方案。研究表明，當太赫茲電磁模式與輕子束自旋極化態實現空間匹配時，可以在保持束流品質的同時，實現對自旋結構的精確操控。例如，在TE01模作用下，根據輕子束的極化-模式匹配的不同，可以產生“蜘蛛狀”“螺旋型”、角向和徑向極化等多樣化的自旋結構。
該研究的核心創新在于將波導中特定電磁模式與輕子束自旋極化狀態精確匹配。該方案克服了傳統自旋控制技術只能在縱向和橫向極化間切換的局限，實現了在皮秒尺度的自旋操控，還可以有效抑制束流發散和能散，保持束流品質。該方案基于現有太赫茲技術條件，參數可行性高，且適用于電子、繆子、陶子等多種輕子束。團隊通過理論模擬與參數優化，系統分析了波導模式、相速度匹配、自旋-磁場夾角等關鍵因素對自旋結構的影響，還討論了通過脈沖整形、波導結構設計和輕子束匹配等途徑進一步優化的可能性，為實驗的實現提供了理論依據。
相關成果以《相對論結構自旋極化輕子束的產生》(“Generation of Relativistic Structured Spin-Polarized Lepton Beams”)為題，在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上發表。物理學院李中鵬助理教授為該論文第一作者，物理學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研發計劃、國家自然科學基金委、中核集團創新科學計劃、陜西基礎科學(數學、物理學)研究院等項目經費的支持。
栗建興教授團隊長期從事高能量密度物理研究，包括人工智能賦能的強場物理、強激光驅動的QED效應、激光核物理等，在本領域國際重要學術期刊發表代表性成果60余篇，包括PRL 12篇，受邀在本領域國際重要學術會議做邀請報告50余次。研究團隊隸屬于物理學院激光與粒子束科學技術研究所，研究所主要研究方向包括：基于加速器和強激光的高能量密度物理及聚變科學；電子/離子碰撞及激光引起的超快反應動力學；基于超強激光的粒子加速和輻射源及強場QED效應；加速器科學技術在醫療、核能、材料等領域的應用。近5年，研究所主持獲批國家級重點、重大項目10余項，在物理頂級學術期刊發表論文20余篇。
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