Ultrafast Spin Rotation of Relativistic Lepton Beams via Terahertz Wave in a Dielectric-Lined Waveguide

太赫兹辐射 物理 超短脉冲 旋转(数学) 轻子 电介质 波导管 自旋(空气动力学) 凝聚态物理 光学 量子电动力学 光电子学 激光器 核物理学 电子 热力学 数学 几何学
作者
Zhongpeng Li,Yu Wang,Ting Sun,Feng Wan,Yousef I. Salamin,Mamutjan Ababekri,Qian Zhao,Kun Xue,Ye Tian,Wenqing Wei,Jian-Xing Li
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:134 (7)
标识
DOI:10.1103/physrevlett.134.075001
摘要

Spin rotation is central for the spin manipulation of lepton beams which, in turn, plays an important role in investigation of the properties of spin-polarized lepton beams and the examination of spin-dependent interactions. However, realization of compact and ultrafast spin rotation of lepton beams, between longitudinal and transverse polarizations, still faces significant challenges. Here, we put forward a novel method for ultrafast (picosecond timescale) spin rotation of a relativistic lepton beam via employing a moderate-intensity terahertz (THz) wave in a dielectric-lined waveguide (DLW). The lepton beam undergoes spin precession induced by the THz magnetic field. We find that optimizing the lepton velocity and THz phase velocity in the DLW can mitigate the impact of transverse Lorentz forces on the lepton beam and increase the precession frequency, thereby maintaining the beam quality and enhancing the efficiency of transverse-to-longitudinal spin rotation. The final polarization degree of the lepton beam exceeds 98%, and the energy spread can be improved significantly. Flexibility in adjusting the electromagnetic modes within the DLW adds further potential for spin manipulation and holds promise for advancing the development of spin-polarized particle beams, which has broad applications in materials science and atomic, nuclear, and high-energy physics.

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