導(dǎo)讀：采用三維動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)，來自 University of California - San Diego的研究人員采用預(yù)填充的圓柱形通道及其隨激光功率（激光功率為幾個(gè)PW，中文拍瓦激光器）的變化，利用激光照射靶材實(shí)現(xiàn)織構(gòu)，來促使準(zhǔn)直γ射線的發(fā)射。這一成果發(fā)表在近期發(fā)表的《Phys. Rev. Applied》期刊上，題目為：Power Scaling for Collimated γ-Ray Beams Generated by Structured Laser-Irradiated Targets and Its Application to Two-Photon Pair Production。這一研究成果為研究人員在利用極端光基礎(chǔ)設(shè)施的高功率激光裝置來使用光來合成物質(zhì)上提供了新的菜譜（訣竅）。

Lawrence Livermore 國家實(shí)驗(yàn)室的高功率激光裝置，來自：University of California

在宇宙中，幾分鐘的時(shí)間對(duì)整個(gè)宇宙來說，太過短暫，光能的碰撞發(fā)射卻可以產(chǎn)生物質(zhì)和反物質(zhì)的第一粒子。我們對(duì)于可逆過程——物質(zhì)產(chǎn)生能量——從篝火到原子彈的每一個(gè)事情都非常的熟悉，但是對(duì)于從光轉(zhuǎn)變成物質(zhì)的關(guān)鍵性轉(zhuǎn)變的創(chuàng)造卻非常困難。為什么物質(zhì)能夠產(chǎn)生光，而不能從光創(chuàng)造出物質(zhì)呢？

圖位于羅馬尼亞的極端光基礎(chǔ)設(shè)施：每分鐘發(fā)射 10 PW的高功率激光裝置

如今，來自 University of California - San Diego的研究人員利用一套模擬技術(shù)為利用光制造物質(zhì)指明了方向。這一過程開始于采用高功率激光在一個(gè)靶材上照射產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，強(qiáng)大到什么程度呢，同中子星的磁場(chǎng)一樣強(qiáng)。這一磁場(chǎng)進(jìn)而產(chǎn)生γ射線并通過碰撞來制造物質(zhì)——在每一個(gè) 最短的瞬間——形成了物質(zhì)和反物質(zhì)粒子對(duì)。這一研究成果，發(fā)表在5月11的期刊《Physical Review Applied 》上，這一發(fā)現(xiàn)為位于歐洲東部的極端光學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施（Extreme Light Infrastructure (ELI) ）高功率激光裝置的研究人員在隨后的一到兩年內(nèi)利用光制造真正的物質(zhì)提供了一套食譜（訣竅）。他們的這一研究成果使得科學(xué)家們?cè)谝欢ǔ潭壬?，客可以這樣說，第一次，在探索宇宙的基本過程上又取得了重大的基礎(chǔ)研究進(jìn)展。

扭曲或螺旋激光波驅(qū)動(dòng)的扭曲等離子體波結(jié)構(gòu)模擬圖 （電子密度擾動(dòng)）

利用大功率

研究人員針對(duì)這一研究已經(jīng)開展了好幾年的工作，一直致力于制造出強(qiáng)烈的、定向的能量和具有輻射束性質(zhì)的物質(zhì)，該項(xiàng)工作等得到了國家自然科學(xué)基金和空軍研究院的資助。實(shí)現(xiàn)這一目的一個(gè)辦法就是，在一個(gè)靶材上利用高功率激光產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，該強(qiáng)磁場(chǎng)同時(shí)能夠擺脫強(qiáng)烈的能量釋放的束縛。

圖 （a）激光輻射織構(gòu)靶材直接產(chǎn)生伽馬射線的示意圖

（b）電子軌道，其中灰度是指電子發(fā)射時(shí)的方向和能量，（c-d）激光能量為1和4PW市得到的伽馬射線

高強(qiáng)、超短激光脈沖對(duì)準(zhǔn)致密靶材來渲染靶材，當(dāng)激光中電子的速度非常接近光速的時(shí)候，靶材就會(huì)變得“相對(duì)透明”，并會(huì)在事實(shí)上變得重一些。這使得激光中的電子從移動(dòng)到靶材逐漸變成對(duì)靶材形成遮蔽激光的一種效應(yīng)。當(dāng)激光將這些電子推開的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，強(qiáng)大到可以同中子星一樣可以對(duì)其表面的物質(zhì)產(chǎn)生拉-拽的作用。這一磁場(chǎng)是地球上磁場(chǎng)強(qiáng)度的100 million以上的倍數(shù)。

采用的高功率激光其功率在幾個(gè)帕瓦的范圍。一個(gè)帕瓦是1 million billion 瓦。為了便于比較和變化與大家理解，太陽傳輸?shù)降厍虮砻娲髿鈱拥哪芰看蟾艦?74帕瓦。我們的PPT放映時(shí)所使用的激光筆一般功率為0.005W。

早先的模擬結(jié)果顯示激光是可以提高功率并對(duì)準(zhǔn)一個(gè)小點(diǎn)來照射而產(chǎn)生所需要的強(qiáng)度來制造出足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)。新的模擬結(jié)果也表明增加局部點(diǎn)的尺寸，同時(shí)提升激光功率至4帕瓦左右，激光的強(qiáng)度可以維持在固定的范圍并可以制造出強(qiáng)的磁場(chǎng)來。在以上條件下，模擬結(jié)果表明，激光加速磁場(chǎng)中的電子可以激發(fā)形成高能伽馬射線。

“我們并期望我們不能夠?qū)崿F(xiàn)瘋狂的強(qiáng)度，指需要增加足夠的功率，你就可以獲得你所需要的感興趣的事務(wù)?！币詾檠芯咳藛T阿睿菲（音譯）說道

該項(xiàng)研究中的一項(xiàng)比較有趣的事情就是正負(fù)電子對(duì)——物質(zhì)和反物質(zhì)的成對(duì)粒子的制造。這些粒子可以通過兩束伽馬射線的碰撞或者一個(gè)伽馬射線碰撞黑體輻射來實(shí)現(xiàn)。其中一個(gè)物體起到吸收所有的輻射的作用。這一技術(shù)可以制造出很多成千上萬對(duì)這樣的物質(zhì)。

“科學(xué)家們?cè)缭?997年斯坦福實(shí)驗(yàn)中就實(shí)現(xiàn)的物利用光來創(chuàng)造物質(zhì)，但該實(shí)驗(yàn)需要一個(gè)額外的高能電子才能個(gè)進(jìn)行，而新的方法僅僅只需要一束光就可以創(chuàng)造物質(zhì)?！毖芯咳藛T阿睿菲（音譯）說道，他同時(shí)提到在斯坦福實(shí)驗(yàn)中大概需要100次的沖擊才會(huì)產(chǎn)生一對(duì)粒子。

僅僅采用光來制造物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)在采用模擬的辦法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，模擬了在第一分鐘產(chǎn)生物質(zhì)的條件，為研究人員探索這一關(guān)鍵的時(shí)刻段提供了非常有益的改進(jìn)的模擬模型。這一實(shí)驗(yàn)同時(shí)為研究反物質(zhì)提供了更多的機(jī)會(huì)，反物質(zhì)一直是宇宙中存在的一個(gè)比較神秘的組成部分。例如，科學(xué)家非常好奇的想知道更多的為什么宇宙存在的物質(zhì)比反物質(zhì)多，因?yàn)槲镔|(zhì)和反物質(zhì)本來應(yīng)該是存在一樣多的。

阿睿菲（音譯）及其團(tuán)隊(duì)受到極大的鼓舞，他們將更加投入的研究這項(xiàng)研究，這是因?yàn)槟壳凹す饣A(chǔ)設(shè)施（大功率激光）可以保證他們來進(jìn)行真正的實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。因?yàn)榻?jīng)過計(jì)算，在以前所需要的激光功率時(shí)不能實(shí)現(xiàn)的，到在最近，所需要的高功率激光很容易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)這一模擬結(jié)果對(duì)研究人員在發(fā)展高功率激光的時(shí)候也非常有幫助。因?yàn)樵诟吖β始す鈱?shí)驗(yàn)的時(shí)候，激光點(diǎn)火，目標(biāo)在很短的時(shí)間內(nèi)被完全破壞，幾乎沒有任何物質(zhì)可以被恢復(fù)，你甚至無法直接測(cè)量出到底在實(shí)際上使用了多大的激光功率。但有了這一模擬結(jié)果就不一樣了。

但如果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證獲得的伽馬射線及其獲得粒子對(duì)同模擬結(jié)果一樣的話，那就從側(cè)面證實(shí)了我們所發(fā)展的激光功率也的確到達(dá)了這一能量密度。

在去年， University of California獲得了美國國家自然科學(xué)基金的資助并獲得批準(zhǔn)同極端光基礎(chǔ)設(shè)施的研究人員一起開展這一工作。這種合作關(guān)系對(duì)他們來說是至關(guān)重要的，因?yàn)樵?018年以前在美國境內(nèi)，他們沒有相應(yīng)的激光器來開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證高功率（依據(jù)2018年的公開報(bào)道）。當(dāng)時(shí)美國國家科學(xué)院曾經(jīng)提出警示，美國在投入研究高強(qiáng)度的超快激光技術(shù)上正在失去這一優(yōu)勢(shì)，如果還不重視和投入巨資研究的話。

阿睿菲（音譯）說，極端光基礎(chǔ)設(shè)施將在隨后進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)際驗(yàn)證以驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。這也是我們要將這一結(jié)果進(jìn)行公開報(bào)道的原因。這是因?yàn)榧す庖呀?jīng)在運(yùn)行當(dāng)中，我們所設(shè)想的距離實(shí)際非常接近，作為科學(xué)，這也是吸引我的地方，眼見為實(shí)。

知識(shí)小TIPs：極端光基礎(chǔ)設(shè)施是歐洲研究技術(shù)設(shè)施戰(zhàn)略論壇選定的，歐洲下一代大型研究設(shè)施計(jì)劃不可分割的一部分。極端光基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目將首次實(shí)現(xiàn)對(duì)超相對(duì)主義范圍內(nèi)光與物質(zhì)之間最強(qiáng)度的相互作用研究，將在物理學(xué)開辟通往新領(lǐng)域的道路，并推動(dòng)相對(duì)微電子和小型激光粒子加速器等新技術(shù)的發(fā)展。ELI對(duì)材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生相當(dāng)大的影響。

ELI是首個(gè)民用大型高功率激光研究設(shè)施，是整個(gè)歐洲和全球科學(xué)共同成果。目前已經(jīng)有匈牙利、捷克和羅馬尼亞三個(gè)ELI研究結(jié)構(gòu)，任務(wù)分別是阿托秒、光束和核光電。第四個(gè)的位置待確定，計(jì)劃建設(shè)200PW峰值功率密度的激光脈沖裝置。

參考文獻(xiàn)：

https://www.photonics.com/Articles/Ramping_Up_with_High-Intensity_Lasers/a65698

https://eli-laser.eu

文章來源：

T. Wang et al. Power Scaling for Collimated γ -Ray Beams Generated by Structured Laser-Irradiated Targets and Its Application to Two-Photon Pair Production, Physical Review Applied (2020). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.13.054024