近日，上海交通大学暗物质物理全国重点实验室、物理与天文学院激光等离子体教育部重点实验室张杰院士团队的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高能涡旋γ射线研究方面取得重要进展。研究团队基于上海交通大学“多参数全光康普顿散射强场QED实验平台”（EPATCS），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γ光子，为高能光子轨道角动量研究提供了直接实验依据，并为研究光子角动量在高能辐射和强场量子电动力学过程中的传递机制开辟了新的实验路径，也为在核物理、强场QED实验及高分辨辐射源等领域探索涡旋γ光子的潜在应用奠定了重要基础。相关实验研究成果以 “Experimental Evidence of Vortex γ Photons in All-Optical Inverse Compton Scattering” 为题发表于Physical Review Letters。

图1 涡旋γ光子艺术构想图

携带轨道角动量的高能涡旋辐射为光与物质相互作用研究开辟了新的角动量自由度，在操控粒子运动、探测量子态结构以及研究角动量守恒等基础物理问题中展现出重要应用前景，尤其在探究其与原子核巨偶极共振等核激发模式的相互作用方面具有潜在价值，因此引起学界广泛关注。近年来，涡旋光在可见光和 X 射线波段已取得一系列重要进展，但将涡旋拓展至γ能区仍面临诸多关键挑战。一方面，高能γ波长极短，穿透力极强，传统的光学测量手段难以实现；另一方面，经典辐射理论难以刻画光子所携带的轨道角动量特征，从而缺乏明确、可操作的实验判据。这些因素共同导致高能涡旋γ光子长期处于“理论可产生、实验难验证”的状态，也在一定程度上限制了涡旋γ光子在核物理及强场QED等前沿领域中的进一步探索与应用。

图2 实验装置示意图

针对高能涡旋γ光子“可产生但难以验证”的关键科学问题，该研究采用了基于全光学逆康普顿散射机制的实验方案，在研究中采用超短超强激光驱动的激光尾场加速作为高品质电子源，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，为散射过程中γ光子的角动量性质提供了可控、可追溯的初始输入。随后，相对论电子束与涡旋激光发生逆康普顿散射，在将光子能量提升至 MeV 量级的同时，由于角动量守恒，对撞激光将角动量传递给散射后的γ光子。

该研究创新的在QED框架下考虑涡旋粒子的特征，具体来讲，如图2所示，携带轨道角动量的光子不再对应单一传播方向，而可视为动量空间中分布于圆锥面上的平面波叠加态，必然伴随额外的横向动量发散。基于这一物理图像，该研究提出涡旋γ光子在统计意义上将表现为展宽的横向角分布，此判据避免了对γ光子相位信息的直接测量要求，实现了从可观测辐射角分布出发，对高能涡旋γ光子进行可靠识别的实验探测。

图3 相对论电子和γ光子角分布的实验测量结果

图 3 展示了主要的实验结果，为进一步验证γ光子的涡旋特性，研究团队开展了系统的数值计算研究，对涡旋激光与高斯激光条件下的辐射特性进行了对比分析。如图 3(e) 所示，在实验中对电子束发散角、能量差异以及激光非线性强度等可能影响辐射角分布的经典因素进行了严格控制和排除后，由高斯激光条件下产生的γ辐射横向分布与经典理论计算结果保持高度一致。相比之下，在引入涡旋激光后，实验测得的γ射线角发散相对于高斯激光情形出现了显著增大。研究人员认为，这一异常展宽无法由经典辐射机制解释，而应归因于涡旋γ光子所特有的量子张角效应，该结果也首次为高能涡旋光子的产生提供了直接的实验观测证据。

本研究围绕高能涡旋γ光子长期面临的“难验证”问题，构建并实现了一套基于全光学逆康普顿散射的实验方案，成功在 MeV 能区获得了携带轨道角动量特征的γ射线。相关成果为研究光子角动量在高能过程中的传递机制提供了新的实验依据，也为研究轨道角动量在高能量尺度下的传递与守恒规律提供了全新的实验手段，并为未来开展涡旋γ光子在核共振选择性激发、核结构探测以及强场量子辐射效应研究奠定了基础。同时，该方案具备良好的可扩展性，有望与更高能量电子束及更高阶轨道角动量激光相结合，推动涡旋γ光子在核物理、核天体物理及高能量密度物理等方向的进一步应用。

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。

图4 论文第一作者魏明轩（右）在EPATCS平台上调节光路

上海交通大学物理与天文学院博士生魏明轩、陈思宇，西安交通大学物理学院博士后王宇为论文共同第一作者，上海交通大学闫文超长聘教轨副教授、西安交通大学栗建兴教授为论文共同通讯作者。论文的主要作者还有上海交通大学的张杰院士、陈黎明教授、陈民教授、刘峰研究员、李博原副研究员、何沛伦副教授、葛绪雷助理研究员。

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。