編譯｜李木子
將一束激光壓縮至千萬(wàn)億分之一秒，在一瞬間能產(chǎn)生超強(qiáng)脈沖，其功率相當(dāng)于100萬(wàn)座核電站的能量。這種拍瓦級(jí)激光器使科學(xué)家能夠以新的方式操控材料、模擬行星內(nèi)部甚至分裂原子。如今，加速器物理學(xué)家實(shí)現(xiàn)了這一壯舉，獲得了具有驚人應(yīng)用潛力的拍瓦級(jí)電子脈沖。
“我們將大量電荷壓縮至極短的束持續(xù)時(shí)間中，從而獲得了有史以來(lái)最大電流、最大峰值功率的電子束。”該研究負(fù)責(zé)人、美國(guó)SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的加速器物理學(xué)家Claudio Emma說(shuō)，這種電子脈沖持續(xù)時(shí)間僅千萬(wàn)億分之一秒，卻能攜帶10萬(wàn)安培電流。2月27日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。
加速器物理學(xué)家克Claudio Emma（左）與同事在調(diào)試關(guān)鍵激光系統(tǒng)。圖片來(lái)源：JACQUELINE RAMSEYER ORRELL/SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY
“這是一項(xiàng)超酷的實(shí)驗(yàn)。”美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的加速器物理學(xué)家Sergei Nagaitsev說(shuō)。“如果能夠?qū)崿F(xiàn)，比它更強(qiáng)大的光束或?qū)⑼瓿梢恍﹦?chuàng)舉，例如在真空中撕裂粒子。”英國(guó)牛津大學(xué)的等離子體加速器物理學(xué)家Richard D'Arcy補(bǔ)充說(shuō)。
雖然高能電子與低能電子幾乎以相同的速度運(yùn)動(dòng)（均接近光速的99.99%），但正如賽車(chē)通過(guò)彎道時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)向一樣，電子在磁場(chǎng)中也會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。與一輛高速賽車(chē)在拐彎時(shí)必須走一條更直的路線一樣，一個(gè)能量更高的電子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡也必然會(huì)更直。
Emma和同事巧妙結(jié)合了這兩種效應(yīng)。他們首先在SLAC已有62年歷史的直線加速器中產(chǎn)生了1毫米長(zhǎng)的電子束。電子在通過(guò)一個(gè)真空腔室內(nèi)的無(wú)線電波時(shí)獲得加速的能量：由于前面的電子比后面的電子所處的波峰要稍微陡一些，所以其獲得的能量要低于后面的電子，即形成了所謂“啁啾”能量分布。
這種啁啾結(jié)構(gòu)為壓縮電子束提供了可能。為做到這一點(diǎn)，研究人員使用一種名為“減速?gòu)潯钡臉?biāo)準(zhǔn)工具，通過(guò)一系列磁鐵將電子束發(fā)射出去。4組磁鐵使電子束向左、右、右、左快速偏轉(zhuǎn)，然后回到原來(lái)的軌跡。低能電子因偏轉(zhuǎn)幅度更大、路徑更長(zhǎng)，使得后方高能電子能夠迎頭趕上，從而實(shí)現(xiàn)從前到后壓縮電子束。
但一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的“減速?gòu)潯辈荒墚a(chǎn)生超短脈沖。Emma解釋說(shuō)，如果物理學(xué)家僅依賴加速器自然產(chǎn)生的相對(duì)溫和的啁啾，那么旋轉(zhuǎn)將會(huì)非常劇烈，以至于電子會(huì)輻射能量，而光束會(huì)變得模糊。
為此，SLAC的研究人員改變了方案。當(dāng)一部分電子束從第一個(gè)加速器出來(lái)后，它通過(guò)了一個(gè)叫作波動(dòng)器的特殊磁鐵。在磁鐵內(nèi)部，研究人員用低能量激光脈沖使束重疊。這種波動(dòng)迫使電子向側(cè)面擺動(dòng)，從而使它們能夠與光交換能量。通過(guò)調(diào)制激光脈沖的形態(tài)，研究人員得以在電子束中間增加一個(gè)額外的、更有用的啁啾結(jié)構(gòu)。
隨后，電子束經(jīng)過(guò)3段交錯(cuò)設(shè)置的加速器段，交替加速并再次壓縮。當(dāng)激光脈沖被精心調(diào)制以匹配隨后的操作時(shí)，額外的啁啾最終在束流中部產(chǎn)生了一個(gè)僅0.3微米的超強(qiáng)電子脈沖。
意大利國(guó)家核物理研究所的加速器物理學(xué)家Massimo Ferrario指出，這種反復(fù)的加速-壓縮循環(huán)是維持短脈沖的關(guān)鍵，“否則同性電荷的斥力會(huì)立即將其撕裂”。
Nagaitsev表示，采用更短、更強(qiáng)的電子束可顯著提升亮度，將為探測(cè)化學(xué)過(guò)程開(kāi)辟道路。此外，超強(qiáng)電子脈沖還能模擬天體物理中的等離子體現(xiàn)象，例如某些星體爆發(fā)產(chǎn)生的接近光速的噴流。
也許有一天，通過(guò)超強(qiáng)電子束可以探測(cè)到真空的本質(zhì)。D'Arcy指出，它們會(huì)產(chǎn)生超強(qiáng)電場(chǎng)，如果其中一個(gè)電子束與超強(qiáng)激光脈沖碰撞，就會(huì)使空間暴露在極強(qiáng)的電極化中。如果這個(gè)電場(chǎng)足夠強(qiáng)大，可能會(huì)在真空中撕裂粒子-反粒子對(duì)，這是量子物理學(xué)預(yù)測(cè)的但從未觀察到的一種現(xiàn)象。
盡管實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)尚需時(shí)日，但若將電子脈沖縮短至目前的1/10，研究人員或?qū)⒔咏撃繕?biāo)。Emma和同事計(jì)劃用等離子體單元替代激光器，構(gòu)建更復(fù)雜的啁啾調(diào)制方案。“我們已實(shí)現(xiàn)了10萬(wàn)安培束流，下一步將沖擊百萬(wàn)安培。”
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.085001
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》(2025-03-03第2版國(guó)際)
本文鏈接：瞬間能量相當(dāng)100萬(wàn)座核電站！史上最大電流來(lái)了http://m.lensthegame.com/show-11-18035-0.html
聲明：本網(wǎng)站為非營(yíng)利性網(wǎng)站，本網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容由互聯(lián)網(wǎng)博主自發(fā)貢獻(xiàn)，不代表本站觀點(diǎn)，本站不承擔(dān)任何法律責(zé)任。天上不會(huì)到餡餅，請(qǐng)大家謹(jǐn)防詐騙！若有侵權(quán)等問(wèn)題請(qǐng)及時(shí)與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間刪除處理。