超相对论自旋极化正负电子束在粒子物理、高能物理以及高能量密度物理等领域存在许多重要应用，尤其是可以被用来开展正负电子对撞机实验。在这些实验中，正负电子的纵向极化可以提高实验灵敏度，横向极化可以引起末态粒子不对称的方位角分布，进而有助于探索超出标准模型的新物理。通常由于纵向和横向极化彼此之间相对独立，它们产生的效应也经常被单独研究。然而人们也认识到任意极化的正负电子束，即同时具有纵向和横向极化的正负电子束，具有重要特性，例如，其将引入一个自旋参考系并修正超出标准模型的有效作用顶点等等。因此，任意极化正负电子束在探索超出标准模型的新物理实验中有着独特用途。

在传统方法中，横向极化正负电子束可以通过Sokolov-Ternov效应直接在存储环中稳定获取，其中，由于采用相对较弱的静磁场（特斯拉量级），这种方法往往需要相对较长的极化时间（分钟至小时量级）。纵向极化的正负电子束可以通过高能圆偏振伽马光与高Z靶材的Bethe-Heitler效应产生。由于伽马光的亮度低，从应用角度考虑，该方法需要高重复频率以产生足够密度的正负电子束。此外，横向和纵向极化可以通过自旋旋转器来实现相互转换。近年来，先进超强超短激光技术提供了一种新的极化正负电子束产生方法，即通过非线性康普顿散射和非线性Breit-Wheeler（BW）正负电子对产生等量子电动力学效应产生飞秒量级的高密度极化正负电子束。例如，可以利用激光驻波场、椭圆偏振激光场或者双色激光场直接产生横向极化正负电子束，也可以基于非线性BW效应通过圆偏振伽马光子的螺旋度传递产生纵向极化正负电子束。此外，也可以利用间接方案产生高能极化正负电子束，即先通过极化的光电阴极、极化的原子或分子光解离等方式产生低能的极化正负电子束，然后将其加速到超相对论能量。总之，尽管目前已经提出了诸多基于超强超短激光脉冲产生纵向或横向极化正负电子束的方案，然而如何产生任意极化正负电子束仍然是一个巨大挑战。

在本工作中，我们研究了利用偏振伽马光束与线偏振不对称构型（例如，双色或者啁啾激光）激光束对撞产生任意极化正负电子束的物理机制（如图1所示）。我们发展了全自旋分辨的半经典蒙特卡洛算法，并且阐明了非线性BW过程中依赖光子偏振的正负电子对产生和极化机理。我们发现正负电子对的极化特性受控于伽马光子的偏振特性以及激光场的偏振与不对称性，并且其分别源于自旋角动量的传递机理以及自旋依赖的正负电子对产生概率。结果表明基于现有的超强超短激光装置，可以获得平均极化度高达80%、横向和纵向极化分量连续可调、且能量达GeV的高密度正负电子束。

图1. 基于非线性Breit-Wheeler效应，利用偏振伽马光束产生任意自旋极化正负电子束。