伽马射线也会“转圈圈”？全光学逆康普顿散射产生涡旋伽马射线

在高能物理的世界里，伽马射线向来以“直线狂飙”的硬核形象著称——作为能量最高、穿透力最强的光子，它的传播路径笔直且难以调控，是核物理探测、天体观测等领域的“关键选手”。而在低能波段，从可见光到激光，早已解锁“涡旋”这一特殊技能：这类携带轨道角动量的涡旋光，能像陀螺一样旋转前进，在光学操控、量子通信、精密测量等领域绽放异彩。

遗憾的是，将涡旋特性拓展至伽马射线能区，长期以来是国际强场物理领域的“硬骨头”。一方面，伽马射线波长极短、穿透力极强，传统光学测量手段难以捕捉其相位信息；另一方面，经典辐射理论无法准确刻画高能光子的轨道角动量特征，缺乏可操作的实验验证标准，导致高能涡旋伽马射线始终停留在“理论可设想、实验难证实”的阶段，限制了其在前沿领域的应用探索。

涡旋γ光子艺术构想图

近日，这一僵局被打破。上海交通大学暗物质物理全国重点实验室、激光等离子体教育部重点实验室张杰院士团队闫文超长聘教轨副教授，与西安交通大学栗建兴教授联合研究团队，在《Physical Review Letters》发表重磅成果——基于全光学逆康普顿散射机制，国际首次在强场量子电动力学（QED）实验中产生了MeV能区涡旋伽马光子，为高能光子研究开辟了全新路径。

这项实验的成功，源于精巧的创新设计。研究团队依托上海交大“多参数全光康普顿散射强场QED实验平台”（EPATCS），采用超短超强激光驱动的激光尾场加速技术获取高品质电子源，同时引入携带明确轨道角动量的拉盖尔高斯模式激光作为对撞光束。当相对论电子束与涡旋激光发生逆康普顿散射时，不仅将光子能量提升至MeV量级，更通过角动量守恒，让对撞激光的轨道角动量成功传递给伽马光子。

为解决“难验证”的核心问题，团队提出了全新实验判据：在QED框架下，涡旋光子的传播可视为动量空间中圆锥面分布的平面波叠加，必然伴随横向动量发散，表现为统计意义上的展宽横向角分布。这一设计避开了直接测量相位的难题，通过对比实验验证：涡旋激光条件下产生的伽马射线角发散显著大于高斯激光情形，且该差异无法用经典辐射机制解释，成为涡旋伽马光子存在的直接实验证据。

实验装置示意图

这项成果的意义远超实验本身。它不仅为研究光子角动量在高能辐射、强场QED过程中的传递机制提供了关键实验依据，更搭建起涡旋伽马光子与核物理研究的桥梁——未来有望应用于核共振选择性激发、核结构探测等前沿方向。同时，实验依托的EPATCS平台，还具备向医疗领域如新型肿瘤放疗技术、国家重大需求如激光聚变诊断拓展的潜力，将为多学科交叉创新提供支撑。

从低能光的“涡旋舞步”到伽马射线的“旋转突破”，这项全球独有的实验不仅填补了高能涡旋辐射领域的空白，更让人类对光子角动量的认知延伸至更高能量尺度，为强场物理、核物理、量子力学等领域的基础研究注入新的活力。

EPATCS平台

该实验在 “多参数全光康普顿散射强场QED实验平台”（简称EPATCS）开展，在国家重点研发计划（项目负责人：闫文超，项目编号：2021YFA1601700）的资助下，闫文超课题组依托上海交大“重明激光等离子体实验装置（CLEF）”搭建EPATCS平台。EPATCS平台解决了强场QED实验研究中电子品质控制、极端光场调控、高精度时空同步、辐射精密诊断等多个关键技术挑战，为全面系统的开展全光康普顿散射强场QED相关研究奠定了基础。该平台主要围绕三大方向拓展研究：一是面向世界科技前沿，聚焦基础物理领域——作为国内首个强场QED专用线站，开展QED效应验证、智能AI激光电子加速、极端光场调控、涡旋γ光子产生及其核反应等研究，为轴子等暗物质候选粒子的探索提供支撑；二是面向人民生命健康，深耕医疗应用领域——基于精准调控的γ射线与电子束，探索新型肿瘤放疗技术，推动放疗精准化发展；三是面向国家重大需求，服务激光聚变诊断——提供涵盖 THz、中红外、X 射线、γ射线的宽波段辐射源，支撑相关领域核心技术突破。

科研人员在“多参数全光康普顿散射强场QED实验平台”EPATCS上开展实验

该研究得到了国家重点研发计划（No. 2021YFA1601700，No. 2024YFA1610900）、教育部学科交叉突破计划(JYB2025XDXM204)、国家自然科学基金(Grants No. 12074251, No. 11991073, No. 12425510, No. U2267204, No. 12441506, No. 12225505)、中国科学院战略性先导专项(Grants No. XDA25010500, No. XDA25030400, No. XDA25010100)、上海市经信委智能百团百项(Grand No. 2025-GZL-RGZN-BTBX-02029)、以及阳阳发展基金等项目的支持。

编辑：Zoey

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号