西安交通大学物理学院栗建兴教授团队针对相对论轻子束在超快时间尺度下的自旋操控难题，发展了基于太赫兹波导管的相对论轻子自旋演化理论，提出了利用太赫兹波导管实现轻子束超快自旋旋转方案。

相对论自旋极化轻子束在核物理、原子物理、高能物理、材料物理等领域具有重要应用价值。一般来讲，自旋极化可以分为横向极化和纵向极化。对于横向极化轻子束而言，可以利用轻子在存储环中的辐射极化效应、超强非对称激光场以及激光等离子体QED效应等方案产生。相比之下，纵向极化轻子主要通过Bethe-Heitler或Breit-Wheeler过程产生，但这些方法要求高重频来提高极化轻子束的电量，并且其极化率通常较低。因此，在实际操作中，通常先产生横向极化轻子束，然后通过自旋旋转器将其旋转为纵向极化，以便于进行后续的相互作用和实验研究。然而，目前的自旋操控系统主要基于偶极磁铁或螺线管，不仅占地面积大、设计和建造成本较高，而且在操作灵活性以及超快自旋操控方面存在一定限制。

针对上述关键问题，栗建兴教授团队提出了一种利用太赫兹波导管实现极化轻子束自旋旋转的理论方法。该方法充分利用了太赫兹波导管的独特优势，例如，结构尺寸适中、电磁模式灵活可控、电场击穿阈值高、以及允许粒子束拥有足够大的电荷量等特点，为轻子束的自旋操控开辟了新的路径。研究结果表明，利用太赫兹波导管可以在皮秒尺度内将横向极化轻子束旋转为纵向极化，并且旋转效率可以达到98%以上，如图1（a）所示。通过对波导管结构的设计，可以使轻子束与太赫兹波在波导管传输过程中，保持轻子速度和太赫兹波相速度几乎一致但又略高于太赫兹波群速度，进而保证了轻子在整个相互作用过程中感受到的电磁场方向不发生变化，如图1（b）所示。此外，轻子所受的自旋操控与太赫兹波脉冲包络密切相关，如图1（c）所示。值得一提的是，由于轻子束与太赫兹波同向传播，导致轻子感受到的电场力FE和磁场力FB方向相反。当太赫兹波相速度与轻子速度接近时，电场力和磁场力大小也趋于相同，进而相互抵消，有效抑制了轻子束的横向发散。利用太赫兹波导管不仅可以维持轻子束的高束流品质，还能显著降低轻子束能散。这一全新轻子束自旋操控方案为高能粒子束自旋操控提供了崭新视角，有望推动自旋极化粒子束在核物理、原子物理、高能物理、材料物理等领域的广泛应用，拓展更多潜在应用前景。

物理学院为该论文的第一完成单位，李中鹏助理教授为论文第一作者，栗建兴教授为论文的唯一通讯作者。中国科学院上海光学精密机械研究所田野研究员和阿联酋沙迦美式大学Yousef I. Salamin教授也为该工作提供了重要指导。

该工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、中物院激光聚变研究中心、中核集团创新科学计划、陕西基础科学（数学、物理）研究院等项目经费的支持。