世界最强激光探索全新物理现象
发布时间：2017-11-24
最近，科学家成功将激光聚焦到十亿倍太阳表面光强的强度，并实现其与高能电子的精密对撞，验证了电动力学近百年从未被验证的关键理论：高阶多光子汤姆逊散射理论。该结果将为停留在理论阶段的量子电动力学理论体系打开实验的大门。实验过程中产生了极高能的定向伽马射线，可用于产生高能高亮光源；该过程还有望在实验室产生阿秒量级的伽马暴，开启阿秒尺度核物理、实验室高能天体物理等全新的研究领域。
在美国内布拉斯加大学林肯分校极端强光实验室，科学家正在进行世界上最强的激光与高能电子的散射实验。
（图片来源: University Communication,University of Nebraska-Lincoln）
6月26日，美国内布拉斯加大学林肯分校与上海交通大学合作在《自然·光子学》上发表的一篇研究型论文称，通过将超强超快激光聚焦，科研人员得到了峰值强度比太阳表面强度高出十亿倍的极强光场环境。他们发现，在如此之强的激光下，近光速运动的电子有可能一次性将上千个光子“同时”吸收，然后“合并”成一个高能光子发射，科学上称之为“高阶多光子汤姆逊散射”。该理论是经典电动力学的著名理论之一，早在十九世纪初就被提出，但是由于实验条件的限制，直到最近超快超强激光技术的发展才让该理论的实验验证成为可能。虽然《自然·光子学》报道的最新实验的激光强度已经很高，但如果激光强度继续增加，经典的电动力学理论将不再适用，取而代之的是量子电动力学。该理论显示在激光强到千万亿倍太阳光强的时候，激光会在绝对真空当中产生正负电子对，也就是实现爱因斯坦的终极理论质能转化E=mc2。该实验结果就是经典电动力学理论向量子电动力学理论发展中的重要实验验证。
该实验在美国内布拉斯加大学林肯分校的极端强光实验室迪奥克莱斯（Extreme Light Labortaory, Diocles laser）激光装置上实现。该激光装置是目前世界上最先进的超强超快激光装置之一，设计脉冲宽度为27飞秒（相当于光速穿过头发丝直径的十分之一时间），峰值功率达到一拍瓦（一拍瓦合1万亿千瓦。作为对比，我国2016年平均每月全国总用电量约为4千亿千瓦时）。
该实验具有极高的挑战性，对时空精度要求极度苛刻。为了实现电子与光子的对撞散射，首先要将迪奥克莱斯激光分成两束，其中一束激光脉冲用来产生相对论速度运动的高能电子，也就是激光尾波电子加速。该过程中，如何实现稳定的激光加速本身就是一项极具挑战性的课题，近几年国际上各大强光实验室均开展了相关的研究。产生微米（头发丝直径的八十分之一）大小高能电子束的同时，要将另一束激光精密聚焦到与电子束同样大小，并在微米空间、飞秒时间尺度内，实现电子束与激光束的精确对头碰撞。由于电子和光子都以光速运动，因此如何在实验上实现如此精密对撞，是该领域一直存在的挑战。尽管目前世界上已有几十台拍瓦量级的超强激光，但在如此超高强度下实现如此精密的实验，尚属首次。研究人员通过在上海交通大学高性能计算中心的超级计算机π上的数值模拟，将该实验结果在计算机模拟中得到了很好的再现。
该项目负责人内布拉斯加大学林肯分校Leland and Dorothy Olson讲席教授Donald Umstadter
左图：论文第一作者闫文超博士；右图：上海交通大学特别研究员陈民（右）、博士生罗辑（左）
多光子汤姆逊散射具有非常高的应用价值。该论文的第一作者，前中科院物理所光物理实验室博士毕业生，现美国内布拉斯加大学博士后，该项目的实验负责人闫文超博士表示：“我们的这项技术可以用来产生极高亮度的X-伽马射线光源，亮度可以与第三代同步辐射光源相比拟，但是装置体积却只有几十甚至上百分之一，有望在未来补充同步辐射光源，为医疗成像、材料研究、生物大分子研究，三维度量学提供更为廉价的光源，解决现有同步辐射光源数量少、排期难、费用高的问题。同时，高能伽马射线可以穿透极厚的钢板，有望对海关检验毒品武器走私等给予极大的帮助。由于我们的装置可以做到很小，未来有可能集成到小型集装箱货车中，进一步增加辐射光源使用的灵活性。”
车载多光子汤姆逊散射伽马射线光源有望使用于海关检验等环境。
（图片来源: Extreme Light Laboratory，University of Nebraska-Lincoln）
利用超强激光与电子相互作用产生的伽马射线, 科学家成功拍摄Wi-Fi接受器的内部结构。
通常的x射线并不能够穿透金属进行如此清晰高分辨的成像。
（图片来源: Extreme Light Laboratory，University of Nebraska-Lincoln）
多光子汤姆逊散射的整个物理过程也具有极高的基础科学研究价值。由于此物理过程中，多个光子参与一个相互作用事件，与此前单光子汤姆逊散射呈现出了完全不同的定标规律。本论文的通讯作者、极端强光实验室主任，Donald Umstadter教授说：“在超强对撞激光条件下，电子会进行极端非线性运动，同时光子密度很高，因此单电子会与几百个光子相互作用，这些光子被同时相干耦合在一起，形成一个超高能的光子。实际上，理论显示我们实验中可能已经实现了高达1300个光子的同时被散射。多光子汤姆逊散射理论已经存在几十年之久，但从未被实验彻底验证，这是实验室首次实现如此多光子共同参与的汤姆逊散射，并完整地验证了该理论，对电动力学的发展意义重大。”另外，超强激光在聚焦处的峰值强度都是在低能激光脉冲条件下进行各种参数测量后估算的，目前没有任何的直接测量方式。由于本实验中的相互作用过程产生的伽马射线具有独特的空间分布，并且该分布与对撞激光的强度直接相关，因此根据该实验过程中产生的伽马射线的性质可以精确地标定超强激光的峰值强度，这也是目前唯一直接测量超强激光峰值强度的方法。
激光强度的变化引起电子运动轨迹发生变化，辐射的伽马射线空间分布发生变化。
在激光最强的时候，超过500个光子同时被单个电子散射。
（图片来源: University Communication,University of Nebraska-Lincoln）
研究人员表示，未来将进一步升级激光，对多光子散射理论进行更深入的研究，并展开初步的量子电动力学的研究。此外还将优化伽马射线光源的品质，希望尽快实现其广泛的应用价值。
