激光，是人類最偉大的發(fā)明之一，被認(rèn)為是“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”。這道光焦點(diǎn)下的微觀物質(zhì)世界，如此令人著迷，讓張杰研究了30多年。

2021年的未來科學(xué)大獎(jiǎng)如約而至，其中的物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了上海交通大學(xué)/中科院物理所張杰院士，獎(jiǎng)勵(lì)他與其團(tuán)隊(duì)通過調(diào)控激光與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生精確可控的超短脈沖高能電子束，并將其應(yīng)用于激光核聚變的快點(diǎn)火研究和實(shí)現(xiàn)超高時(shí)空分辨高能電子衍射成像。

何為激光核聚變的快點(diǎn)火研究？超高時(shí)空分辨高能電子衍射成像意味著什么？日前，張杰從繁忙的科研工作中專門抽出時(shí)間，接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）專訪，解讀獲獎(jiǎng)成果的科學(xué)意義，并對年輕科研人員的未來發(fā)展提出建議。

張杰院士張杰說，物理學(xué)家喜歡探索的科學(xué)問題有兩類，第一類是人類社會(huì)發(fā)展中遇到的瓶頸性難題，比如當(dāng)前人類社會(huì)發(fā)展迫切需要解決的最大難題—終極能源問題，第二類是自然界中最難以理解的奧秘，比如微觀世界的結(jié)構(gòu)與功能。激光具有極好的方向性、相干性和偏振等特點(diǎn)，因此，激光和物質(zhì)相互作用可以產(chǎn)生精確可控的超短脈沖高能電子束。一方面，高能電子束可以將其攜帶的能量精準(zhǔn)地輸運(yùn)到預(yù)先壓縮的聚變?nèi)剂现?，?shí)現(xiàn)快速加熱，引發(fā)核聚變反應(yīng)。核聚變能由于其燃料來自海水、效率是化石能源的千萬倍、沒有長期的核廢料、沒有碳排放等特點(diǎn)，因此被視為未來社會(huì)的“終極能源”。

另一方面，超短脈沖高能電子束也可以作為極其敏感的探針，為探測微觀世界的超快動(dòng)力學(xué)過程，提供超高時(shí)空分辨的研究手段。張杰團(tuán)隊(duì)研制的高能電子衍射與成像裝置達(dá)到了亞埃級的超高空間分辨能力和50飛秒的超高時(shí)間分辨能力。

1飛秒等于1000萬億分之一秒，在張杰團(tuán)隊(duì)之前，時(shí)間分辨能力的國際最好水平是150飛秒。“微觀物質(zhì)世界有不少重要的超快過程的時(shí)間尺度恰巧在100飛秒左右，所以當(dāng)我們的裝置達(dá)到50飛秒的時(shí)間分辨能力時(shí)，就使人類第一次具有了直接觀察微觀世界這些超快過程的能力了?！睆埥艽蛄藗€(gè)比方，就像對高速運(yùn)動(dòng)物體的攝影，只有相機(jī)“快門”的速度比運(yùn)動(dòng)速度更快，才可以清晰成像。

從上世紀(jì)九十年代以來，對激光焦點(diǎn)下微觀世界前沿的不斷探索與發(fā)現(xiàn)，讓張杰著迷了30多年。9月12日，在接到未來科學(xué)大獎(jiǎng)物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)通知的那一刻，他正在與團(tuán)隊(duì)成員一起開會(huì)，對剛結(jié)束的夏季實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。

“我不太贊成將學(xué)習(xí)和科學(xué)研究比喻作‘學(xué)海無涯苦做舟’的苦行僧文化?？茖W(xué)探索的根本驅(qū)動(dòng)力是人類的好奇心，這是人類長期以來得以進(jìn)化的本能之一，因此，學(xué)習(xí)和科學(xué)探索的過程其實(shí)是非?？鞓返?。我們一定要學(xué)會(huì)享受學(xué)習(xí)和科學(xué)探索過程本身帶來的快樂?！睂τ谀贻p科研人員和學(xué)生，張杰給出了他的建議。

很多時(shí)候，我們過分強(qiáng)調(diào)了科學(xué)研究的枯燥，其實(shí)探索自然界奧秘的好奇心和解決難題的滿足感是對科學(xué)家探索最大的激勵(lì)?！拔覀兛茖W(xué)探索的回報(bào)就是發(fā)現(xiàn)的樂趣和好奇心的滿足，我們認(rèn)為這要比美食、游戲或其它娛樂活動(dòng)所產(chǎn)生的多巴胺要強(qiáng)得多。”張杰開玩笑說。

實(shí)驗(yàn)室里的“人造太陽”：可控核聚變的兩條研究路都走到了門檻

太陽和許多恒星的內(nèi)部溫度高達(dá)千萬攝氏度以上，每時(shí)每刻都在發(fā)生著劇烈的核聚變反應(yīng)。張杰介紹，太陽每秒放出的能量約為3.9×10^26焦耳，雖然到達(dá)地球表面的僅為太陽每秒釋放能量的10億分之一，但這也是巨大的能量，正是這個(gè)能量，才使得地球上的一切生命活動(dòng)成為可能。

核聚變反應(yīng)是宇宙中的普遍現(xiàn)象，它是恒星（例如太陽）的能量來源。核聚變能也是全世界能源發(fā)展的前沿方向，如果人類可以掌控這種能量，就能擺脫目前地球的能源與環(huán)境危機(jī)的困擾。

可控核聚變所需要的原料是氫元素中的兩個(gè)同位素氘和氚。氘可從海水中提取，氚可以由地球上儲量非常豐富的鋰生成。據(jù)估測，1升海水中提取出的氘若完全參與聚變反應(yīng)，放出的能量相當(dāng)于300升汽油燃燒釋放的能量。而氚又名超重氫，半衰期12年，它與氘之間的聚變反應(yīng)相對起來最容易。

張杰介紹，一立方公里海水所含的氘經(jīng)過聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量就相當(dāng)于地球上所有石油儲備產(chǎn)生的總能量，因此聚變能源的開發(fā),將“一勞永逸”地解決人類的能源需要。但人類若想要在地球上成功實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)，從而獲得巨大能量，就必須創(chuàng)造以下三個(gè)必要條件。

一是極高的溫度，以使氘氚燃料成為超過1億攝氏度的熱等離子體；二是極高的密度，以使氘氚原子核發(fā)生量子隧穿的概率變大，而且便于將聚變產(chǎn)生的阿爾法粒子能量留下來繼續(xù)參與核聚變反應(yīng)；三是等離子體在有限的空間里被約束足夠長時(shí)間。

到目前為止，人類對受控核聚變的研究主要分為兩類。一是磁約束核聚變，典型的實(shí)驗(yàn)裝置如中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）和法國的ITER實(shí)驗(yàn)裝置。

中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）

法國的ITER實(shí)驗(yàn)裝置二是激光核聚變，典型實(shí)驗(yàn)裝置如我國的神光激光裝置和美國的國家點(diǎn)火裝置（NIF）。占地面積有三個(gè)足球場那么大的NIF采用傳統(tǒng)的中心點(diǎn)火激光核聚變方案。NIF從2010年開始正式的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，在今年8月8日的一個(gè)發(fā)次中已經(jīng)接近核聚變反應(yīng)輸出能量與輸入能量的平衡點(diǎn)。

我國的神光激光裝置激光核聚變由燃料壓縮和加熱兩個(gè)階段組成。張杰告訴澎湃新聞（www.thepaper.cn），傳統(tǒng)的中心點(diǎn)火激光核聚變方案需要使用巨大能量的激光裝置對氘氚燃料進(jìn)行同步的壓縮和點(diǎn)火，而同步進(jìn)行的壓縮和點(diǎn)火過程會(huì)涉及極其復(fù)雜的非線性物理過程。他認(rèn)為這種方案可以作為受控激光核聚變過程的研究方案，但是由于效率不高，未來真正作為核聚變能量的產(chǎn)生，還需要探索其它點(diǎn)火方案。除美國之外，世界上還有其它不同的激光聚變點(diǎn)火方案正在研究之中。比如張杰團(tuán)隊(duì)目前正在探索另一種點(diǎn)火方案，采用特殊設(shè)計(jì)的激光波形與靶構(gòu)型，將壓縮過程與點(diǎn)火過程分離，并通過精確調(diào)控的超短脈沖高能電子束對壓縮后的燃料進(jìn)行快速點(diǎn)火，降低物理上的不穩(wěn)定性，同時(shí)提高激光能量到點(diǎn)火能量的效率。

其中對超短脈沖高能電子束的精確調(diào)控是點(diǎn)火的關(guān)鍵。自上世紀(jì)九十年代以來，張杰團(tuán)隊(duì)經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)與理論的研究，實(shí)現(xiàn)了對高能電子束發(fā)射方向與能量的精確調(diào)控，并實(shí)現(xiàn)了表面自生電磁場對高能電子束的引導(dǎo)和聚焦。

“我們的激光聚變實(shí)驗(yàn)研究主要是使用中科院上海光機(jī)所的神光二號激光裝置，目前我們的方案已經(jīng)完成了6輪實(shí)驗(yàn)，并取得了不小的進(jìn)展?！?/p>

神光二號升級激光裝置是我國自主研制的大型激光裝置。張杰對澎湃新聞（www.thepaper.cn）表示，接下來團(tuán)隊(duì)還會(huì)在神光二號激光裝置進(jìn)一步升級的同時(shí)，再做12輪實(shí)驗(yàn)，他們的目標(biāo)是在2026年驗(yàn)證阿爾法粒子的自加熱，為快點(diǎn)火方案的實(shí)現(xiàn)提供堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

核聚變兩大產(chǎn)物之一是阿爾法粒子，“每個(gè)阿爾法粒子帶有3.5MeV（兆電子伏）能量，在實(shí)驗(yàn)中我們會(huì)想辦法把這個(gè)能量留下來，以便繼續(xù)加熱氘氚等離子體，實(shí)現(xiàn)自持燃燒。“

“人類為磁約束核聚變和激光核聚變反應(yīng)點(diǎn)火的實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)努力數(shù)十年的時(shí)間?！睆埥苷f，如今這兩種核聚變的研究道路都“走到了門檻”：核聚變輸出的能量和輸入的能量達(dá)到平衡點(diǎn)，下一步要朝輸出能量大于輸入能量百倍的里程碑目標(biāo)繼續(xù)努力。

當(dāng)聚變反應(yīng)的輸出能量大于輸入能量百倍時(shí)就可以探索建立商用電站了。如果聚變能源能夠早日實(shí)現(xiàn)，將是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的根本保證?！坝幸环N說法認(rèn)為我們做核聚變的人永遠(yuǎn)說實(shí)現(xiàn)聚變還有50年，但我覺得這一次我們的時(shí)間不會(huì)再往后推了，因?yàn)槲覀冋娴囊呀?jīng)來到了門檻?！睆埥苷f。

超短脈沖電子衍射與成像：進(jìn)入50飛秒的超快“亞?！痹邮澜?/p>

物理科學(xué)家主要探索兩類問題，第一類是制約人類社會(huì)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸性難題，第二類則是自然界中最難以理解的奧秘，比如微觀世界的結(jié)構(gòu)與功能。

如果說上個(gè)世紀(jì)主要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)大都與物質(zhì)微觀世界的空間結(jié)構(gòu)有關(guān)，在這個(gè)世紀(jì)，人類更希望在了解物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，深入理解物質(zhì)微觀世界的功能，也就是物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)隨時(shí)間快速變化的動(dòng)力學(xué)過程，這就需要同時(shí)具有超高的空間分辨能力與超高的時(shí)間分辨能力。

電子顯微鏡具有超高的空間分辨能力，但是沒有超高的時(shí)間分辨能力，因此只能探測靜態(tài)的物質(zhì)微觀世界的空間結(jié)構(gòu)。

“任何物質(zhì)的原子其實(shí)在不停地快速運(yùn)動(dòng)，所以對微觀時(shí)間中原子的觀察，就需要在超高空間分辨能力的基礎(chǔ)上再加上超高的時(shí)間分辨能力。我們做的事情就是把電子顯微技術(shù)的超高空間分辨能力與超快光學(xué)技術(shù)中超高的時(shí)間分辨能力結(jié)合在一起，這樣就可以研究以前我們認(rèn)為是靜止的，但其實(shí)在時(shí)間上一直在演化的微觀世界的超快動(dòng)力學(xué)過程?！睆埥芨嬖V澎湃新聞（www.thepaper.cn）。

他們研制的超短脈沖兆電子伏特電子衍射與成像裝置達(dá)到了亞埃級的空間分辨能力。埃是長度單位，1埃等于百億分之一米，而亞埃則是比埃更小的尺度。他們還將裝置的時(shí)間分辨能力提高到創(chuàng)紀(jì)錄的50飛秒，而1飛秒等于1000萬億分之一秒，此前國際最好水平是150飛秒。

“微觀物質(zhì)世界中的許多超快物理與化學(xué)過程都發(fā)生在100飛秒左右的時(shí)間尺度，所以當(dāng)我們的裝置同時(shí)具有了亞埃級的空間分辨能力和50飛秒的時(shí)間分辨能力，就意味著只有我們可以在原子尺度上看清楚這些超快的動(dòng)力學(xué)過程?！睆埥艽蛄藗€(gè)比方，就像對高速運(yùn)動(dòng)物體的攝影，不管運(yùn)動(dòng)速度有多快，只要相機(jī)快門的速度更快，就可以清晰成像。

高性能時(shí)間分辨角分辨光電子能譜儀及兆伏特超快電子衍射裝置利用這臺裝置，張杰團(tuán)隊(duì)與合作者成功地實(shí)現(xiàn)了超快光場對量子材料維度的調(diào)控，觀察到瞬態(tài)的光致新奇物態(tài)；實(shí)現(xiàn)了對光誘導(dǎo)的新型相變以及單分子成像等重要物理與化學(xué)超快過程的首次觀測?！霸趯ξ⒂^物質(zhì)世界的超快動(dòng)力學(xué)過程觀察方面，人類的夢想之一就是希望能夠制作單分子運(yùn)動(dòng)的電影。”比如，盡管我們可以寫出二氧化碳分子的化學(xué)公式，但卻沒有直接觀察過二氧化碳單分子究竟長什么模樣、二氧化碳分子如何運(yùn)動(dòng)。

張杰說，物理學(xué)家的責(zé)任就是直接看到單分子圖像，并將單分子運(yùn)動(dòng)的圖像拍攝下來，以便深入研究?！拔覀兿扔靡淮w秒激光脈沖將二氧化碳分子排好隊(duì)，接下來用超短脈沖高能電子束觀察排好隊(duì)的二氧化碳分子，就可以把二氧化碳分子在不同時(shí)刻的位置和結(jié)構(gòu)全看清楚了，然后將不同時(shí)刻的圖像排列起來，就可以形成單分子電影了?！?/p>

對于未來，在超高時(shí)空分辨的電子衍射和成像方面，張杰說，團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)努力目標(biāo)是達(dá)到1飛秒量級的時(shí)間分辨能力，這將是又一個(gè)非常重要門檻。50飛秒的時(shí)間分辨能力可以讓我們看清楚原子的運(yùn)動(dòng)過程，如果實(shí)現(xiàn)1飛秒量級的時(shí)間分辨能力，人類能看到電子的運(yùn)動(dòng)過程，從而對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和功能的了解產(chǎn)生重要突破。

“物理學(xué)家的責(zé)任，不但是要看得見，還需要獲得關(guān)于單分子如何組成，為什么會(huì)這樣運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性認(rèn)識?！贝藭r(shí)的張杰，眼中閃爍著興奮。