近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐至展研究團(tuán)隊(duì)在超強(qiáng)超短激光驅(qū)動新型光鑷（相對論渦旋刀）操控粒子束研究中取得新進(jìn)展。該研究團(tuán)隊(duì)在三維PIC模擬中利用相對論圓偏振拉蓋爾—高斯激光第一次實(shí)現(xiàn)了新型光鑷——相對論“渦旋刀”，產(chǎn)生空間周期性分布的電子團(tuán)簇。該研究成果1月14日在線發(fā)表于《物理評論快報(bào)》(Physical Review Letters, 122,024801 (2019))。

2018年諾貝爾物理學(xué)獎分別頒給了A. Ashikin, G. Mourou 和D. Strickland，表彰他們在激光物理領(lǐng)域的突破性發(fā)明。1970年，A. Ashikin第一次發(fā)明光鑷技術(shù)并將其應(yīng)用于生物學(xué)領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：利用連續(xù)激光的光壓可以實(shí)現(xiàn)微米量級粒子的加速和捕獲。1985年，G. Mourou和D. Strickland兩人則發(fā)明了啁啾脈沖放大（CPA）激光技術(shù)，開啟了相對論飛秒激光驅(qū)動等離子體相互作用的大門。這兩項(xiàng)都非常值得被授予諾貝爾獎，但它們之間并沒有那么緊密的聯(lián)系。

該項(xiàng)研究中，王文鵬等研究人員利用相對論圓偏振拉蓋爾—高斯LG01 (σz = -1)激光直接將傳統(tǒng)的弱光領(lǐng)域內(nèi)的光鑷（1/2 NOBEL PRIZE）拓展到了相對論激光領(lǐng)域（1/2 NOBEL PRIZE），產(chǎn)生了新型光鑷——相對論“渦旋刀”。研究發(fā)現(xiàn)這種相對論渦旋刀（電場）可以在每個激光周期實(shí)現(xiàn)會聚和發(fā)散，從而可以驅(qū)動周期性電子團(tuán)簇產(chǎn)生。文中提出的單粒子模型很好地解釋了模擬中電子團(tuán)簇形成的原因，并且發(fā)現(xiàn)這種渦旋刀操控電子的行為依賴于LG激光中的軌道角動量參數(shù)l和自旋角動量參數(shù)σz。該相對論“渦旋刀”驅(qū)動操控的粒子束具有高電荷量、高準(zhǔn)直性的特點(diǎn)且操控簡單，更容易獲得高品質(zhì)束流，對粒子加速、超快電子衍射、超快電子成像、加速器中粒子注入、慣性約束聚變快點(diǎn)火、THz和X光輻射源產(chǎn)生等應(yīng)用具有重要意義。

論文審稿人對該研究結(jié)果給予了高度評價：“通過利用LG激光和固體靶相互作用，作者發(fā)現(xiàn)了一種新的現(xiàn)象：作用過程中產(chǎn)生了準(zhǔn)直的電子噴流，利用‘渦旋刀’這種新技術(shù)可以將電子噴流裁剪成超短電子團(tuán)簇。文章選題十分新穎，研究內(nèi)容會激發(fā)感興趣的物理學(xué)者去研究不同的領(lǐng)域，例如：光學(xué)、等離子體、加速器等。……這種電子團(tuán)簇在相干輻射源產(chǎn)生等其他方面具有潛在的重要應(yīng)用，值得讀者繼續(xù)挖掘研究?！?

該項(xiàng)研究得到國家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)B類專項(xiàng)等的支持。

圖：相對論渦旋刀驅(qū)動產(chǎn)生周期性電子團(tuán)簇