经典电动力学中，做偏转运动的带电粒子会产生辐射，称为同步辐射。如果带电粒子束团的空间尺寸小于辐射波长，其中不同电荷产生的辐射就会相干叠加，形成与束团电荷量平方成正比的高强度相干同步辐射。利用相干同步辐射效应，最先进的自由电子激光加速器可以在X射线波段产生比传统同步辐射光源峰值亮度高十个数量级的X射线激光。另一方面，相干同步辐射效应也是环形和直线加速器中限制束流强度等参数进一步提升的关键效应。如何理解并准确描述相干同步辐射及其影响下的束流动力学，是提升未来加速器光源辐射亮度的关键。

       近期，清华大学我系博士生刘卓辕在相干同步辐射理论的研究中取得进展。他提出了一种新的点电荷电磁场的计算框架，将点电荷产生的场分解为瞬时的空间电荷场和“推迟”的辐射反冲场，进而从理论上分离了空间电荷效应和相干同步辐射效应，并展示了瞬时作用、推迟作用、库仑力和辐射这些经典电动力学概念之间的深层次联系。

       在经典相干同步辐射的理论框架中，点电荷的推迟解（Lienerd-Wiechert势）被用来描述点电荷在空间中产生的电磁场。由于空间电荷力的存在，空间电荷力的奇点会使得相干同步辐射理论不可积或者数值计算精度下降。为了描述相干同步辐射效应，之前的研究工作采用了各种不同的重整化方法。然而，这些重整化方法给出的结果并不一致。并且，通过各种重整化方法给出的结果的物理含义也不明确。

       受经典点电荷模型启发，博士生刘卓辕在理论上将点电荷产生的电磁场进行频域和角向分解，并进一步将观察点的场分解为瞬时场和推迟场（如图1所示）。其中，瞬时场贡献了库仑力和相互作用导致的质量重整化，而推迟场则是光速有限这一物理限制的直接结果。在此基础上，该理论将电磁场分解成三项，分别为瞬时空间电荷力场、瞬时“压缩”场和辐射反冲场。可以证明分解的辐射反冲场给出了正确的相干辐射反冲，排除了因为空间电荷效应导致的奇点，并且该理论在一维极限下与经典相干同步辐射理论的结果符合。

图1 相干同步辐射效应的两种不同物理图像。(a)Lienerd-Wiechert势对应的推迟解的物理图像。(b)瞬时与推迟作用的物理图像。

该研究成果以《相干辐射中的瞬时和推迟相互作用》(Instantaneous and retarded interactions in coherent radiation)为题，于10 月16日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。论文的第一作者为我系2020级博士生刘卓辕，通讯作者为我系颜立新副教授，论文合作者包括高等研究院邓秀杰副研究员、我系博士生李彤。该研究工作得到了北京高校卓越青年科学家计划、国家自然科学基金、科技部重点研发计划、清华大学我系学科建设探索项目和清华大学笃实专项等支持。  

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.165001