在科学的浩瀚宇宙中，原子核就像一颗颗微小的星球，隐藏着无数未解之谜。其中，原子核巨共振是由核内核子集体振动引起的一种现象。研究巨共振不仅有助于深入理解核力及核结构信息，还对理解超新星爆发和中子星结构等天体物理问题至关重要。

近日，兰州大学核物理研究团队与西安交通大学合作，他们针对长期困扰核物理界的难题——“如何测量具有更高多极性的同位旋矢量巨共振”，提出了一种全新的基于电子探针调控原子核巨多极共振的方案，揭开了原子核振动的神秘面纱。相关论文发表于《物理评论快报》。

故事的开始：原子核振动的难题

原子核是由质子和中子组成的复杂系统，科学家们一直试图通过各种手段来研究它的内部结构。其中，原子核巨共振是一个重要的研究课题。简单来说，原子核巨共振是核子（质子和中子）集体振动的一种现象，类似于弹簧的振动。科学家们可以利用巨共振来研究超新星爆发的机制。在不知道巨共振的时候，科学家们只能通过观测超新星的光谱和辐射来推测其内部过程，这种方法存在很大的不确定性。而通过研究巨共振，科学家们可以更直接地了解核物质在极端条件下的行为，从而更准确地模拟和预测超新星爆发的过程。

然而，现有的实验手段在测量更高多极性的同位旋矢量巨共振时遇到了困难。传统的电子散射方法是主要的实验手段之一，但由于探针的多极选择性不足且数据提取过程中依赖于复杂的模型计算，导致获得的跃迁强度和共振宽度等关键参数的不确定性较大，测量结果往往不够精确。这就像用一把不够精确的尺子去测量一个微小的物体，结果难免会有误差。

就在为这一难题苦恼时，研究团队提出了一个大胆的想法：为什么不试试涡旋电子呢？涡旋电子是一种具有轨道角动量的电子，它的运动轨迹类似于螺旋形，带有“旋转”的特性。这种特殊的电子为核物理研究带来了新的可能性。

研究团队发现通过引入涡旋电子，研究人员可以更准确地提取原子核巨共振的跃迁强度，而不再依赖于复杂的模型计算。这就像换了一把更精确的尺子，测量结果更加可靠。

“我们团队与西安交通大学的研究团队进行了深入合作，共同发展了角动量分辨的非弹性电子散射理论，将电子的轨道角动量纳入传统理论框架中，从而能够更全面地描述电子与原子核之间的散射过程，为研究巨共振现象提供新的视角和工具。”兰州大学核科学与技术学院博士研究生郭亮告诉《中国科学报》。

平面波电子（a）和涡旋电子（b）激发原子核的示意图。兰州大学供图。

转机：涡旋电子的登场

然而，科学研究的道路从来都不是一帆风顺的。在研究过程中，团队面临了不少技术挑战。首先，考虑涡旋电子的理论模型是全新的，没有现成的文献可以参考。团队不得不从零开始，推导出一套全新的理论公式。特别是在考虑涡旋电子的轨道角动量时，理论计算的复杂度大幅增加，研究人员需要通过反复讨论和验证，解决这一问题。

经过无数次的讨论和计算，研究团队终于取得了突破性进展。他们的研究表明，通过涡旋电子与原子核的相互作用，可以更有效地激发原子核的巨共振，并且能够通过测量出射电子的角动量，直接获得原子核振动的信息。特别是对于巨四极共振（一种更高多极性的振动模式），涡旋电子的引入使得测量变得更加简单和精确。

“我们发现，无论是平面波电子还是涡旋电子激发巨共振，散射电子的角动量状态都与原子核磁量子数M紧密相关。这一发现不仅解决了长期困扰核物理界的难题，更为核结构的理解开辟了新的视角。”兰州大学核科学与技术学院教授牛一斐说。

此外，研究团队还发现，平面波电子激发巨共振可有效产生具有轨道角动量的涡旋电子。而涡旋电子激发巨共振的微分散射截面与碰撞参数的依赖关系，则为探测相对论高能涡旋电子的角动量提供了新方法。这一发现不仅揭示了轨道角动量在调控核跃迁中的关键作用，还为核结构的理解开辟了新的视角。

“然而，审稿人仍对此提出了质疑，认为我们的理论并不完善。”郭亮说，“因为我们的理论中并未考虑原子核中质子的电场对出射电子的影响。虽然我们在文章中指出，已有研究表明该影响对于轻核并不显著。”

为此，针对审稿人的质疑，团队重新计算了原子核中质子的电场对出射电子的影响，最终通过取极限情形、对称性检验等方式，来验证我们新发展理论公式的正确性。发现该效应在文章研究的原子核中确实较小，最终成功说服了审稿人，确保了论文的顺利发表。

未来：涡旋电子的广泛应用前景

“涡旋粒子以前主要应用于原子分子物理与材料物理，在原子核物理领域的应用非常少见。该研究成果验证了涡旋电子在原子核物理研究中的应用潜能，从而提供了一种核物理研究的全新工具—涡旋粒子。”牛一斐表示，鉴于涡旋粒子在激发核能级和调控核反应方面具有其独特优势，因此，涡旋粒子核反应将成为原子核物理研究的重要前沿方向。

值得一提的是，除了在核物理领域的应用，涡旋电子在其他领域也具有广泛的应用潜力。例如，在量子信息与计算领域，涡旋电子的轨道角动量和自旋角动量为量子比特的编码提供了新的自由度，可以用于构建更复杂的量子态和量子逻辑门。在光学与成像领域，涡旋电子可以用于模拟和研究光学涡旋的传播、干涉和衍射行为，为新型光学器件的开发提供理论支持。

此外，涡旋电子在材料科学、纳米技术、高能物理等领域也有重要应用。例如，在材料表征和纳米结构操控方面，涡旋电子的角动量特性可用于研究材料的磁性和拓扑性质，为纳米制造技术提供新的工具。（来源：中国科学报 叶满山）

相关论文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.052501