作者:甘晓 来源:中国科学报 发布时间:2021/6/28 12:10:43
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探索高能量密度“宇宙”中的奥秘
记国家自然科学基金创新研究群体项目“高能量密度物理若干前沿问题研究”

 

宇宙中绝大多数物质均处于高能量密度等离子体状态,而像地球一样存在物质固液气三相的地方却极其罕见。因此,科学家梦寐以求的愿望是在地球实验室里“复制”高能量密度的“宇宙”,以便探索它的奥秘。为此,从超短超强激光技术、超高时空分辨实验诊断技术以及复杂的理论与数值模拟等三个维度进行“三位一体”研究是必须的。

中国科学院院士张杰带领的“高能量密度物理若干前沿问题研究”创新研究群体就是这样的“三位一体”研究团队。在连续三期国家自然科学基金创新研究群体项目(以下简称创新群体项目)的支持下,该科研团队在对高能量密度物理奥秘的探索中,取得了一批国际领先水平的研究成果。

 创新群体项目成员合影,左六为张杰。(研究团队供图)

基础研究最需要梦想

上海交通大学激光等离子体教育部重点实验室是张杰和研究团队的大本营。在这里,“梦想”是使用频率最高的关键词。“探索高能量密度物理世界的奥秘,最需要的是梦想。”张杰告诉《中国科学报》。

新的物理规律和现象,总是在人类探索最极端条件下的物质状态时被发现。挑战高能量密度物理的极限、探索高能量密度“宇宙”中的奥秘,正是张杰研究团队的梦想。

想要在地球上产生极端高能量密度状态并对其中的奥秘进行创新研究,就必须想办法将尽可能大的能量汇聚在极小的时空尺度,这就需要挑战超短超强激光的极限,挑战高时空分辨测量的极限,挑战人类认知的极限。

美国罗切斯特大学的Gerard Mourou和Donna Strickland1985年发明的超短脉冲“啁啾脉冲放大”(CPA)技术将超短超强激光的输出功率提升了100万倍,使得在大学实验室创造高能量密度物理状态成为可能,他们也因此获得2018年度的诺贝尔物理学奖。在创新群体项目支持下,钱列加教授等群体成员提出了“准参量啁啾脉冲放大”(QPCPA)的新方案,打破CPA技术的放大极限,将超短超强激光的放大能力又提高了10倍,创造了新的世界纪录,有望将单束超短超强激光推进到前所未有的1017瓦的极端超高功率区域。

群体成员向导教授在超快电子衍射方面取得重要突破。他们将加速器领域的双偏转消色差技术与激光领域啁啾脉冲放大压缩技术结合,将超快电子衍射的时间分辨率提高到优于50飞秒,把美国同行保持多年的分辨率世界纪录提高了近3倍。这意味着,拍摄超高时间分辨率的原子电影将成为现实。

在高能量密度物态下的粒子加速方面,群体成员陈民教授通过理论分析和大规模数值模拟研究,提出了一种全新的激光等离子体尾波加速级联方案,有望大幅提升级联耦合效率,为产生1011电子伏以上的高能电子束提供了可能。

在高能量密度物态演化方面,群体成员在神光II实验平台上的研究揭示了全新的磁重联特征,验证了欧洲太空总署卫星的观察结果。此外,群体成员盛政明教授等还研究了太阳内磁湍流,解释了相对论强激光与固体靶作用中的超强磁场以及湍流产生。这些研究为利用强激光研究天体高能量密度状态的演化提供了全新思路。

对于上述成果,张杰总结道:“以探索高能量密度物理过程最本质的未知为梦想,锲而不舍地三位一体攻关,才能不断发现高能量密度‘宇宙’中的新奥秘。”

服务国家战略需求

攀登科学高峰的同时,科研团队牢记服务国家战略需求的使命。在创新群体项目支持下,科研团队将多个研究成果转化应用于国家科技重大专项任务等国家战略需求。

历经9年,贯穿整个创新群体项目的三期研究,钱列加教授等研制的创新仪器“强激光脉冲超高对比度单次测量仪”从设计构思、基础研究、技术发明成功走向工程应用。

用于探索极端高能量密度物理现象的超短超强激光不仅需要具有高达相对论光强的脉冲峰值,而且还要求背景光噪声低至单光子水平,两者的对比度反差超过10个数量级。如何仅用单个脉冲一次性测量这种超高对比度脉冲是强激光领域的世界级难题。张杰表示:“钱列加等人十年磨一剑,创造性地解决了这个世界级测量难题,实现了1013的超高对比度单发次测量能力,高于国外报道最好结果3个数量级以上。”

更令人振奋的是,这个国际上唯一实用化的超短超强激光脉冲对比度单发次测量装置,已经应用于我国拥有的全部超短超强激光装置,为我国战略科技作出了不可或缺的贡献。

此外,“MeV能量超快电子诊断系统”也已应用于我国激光聚变研究的等离子体电场测量,可为解决激光聚变中激光等离子体不稳定性的来源问题提供实验证据。

“接力”培养“三剑客”人才

在连续三期创新群体项目结题时,张杰发现一个有意思的现象。“我们群体成员的平均年龄并没有增加9岁,而是与项目申请时差不多。”原因就在于,研究团队不断吸纳年轻人才加入。创新群体项目不仅为他们从事基础研究提供了宽松条件与创新环境,更使研究团队的人才梯队建设成为可能。

“人才是头等大事。”张杰强调。

2011年9月29日,张杰前往美国劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校邀请科研成绩突出的青年科学家陈民加入团队。“我向他讲了国家对基础研究的重视,我们的前沿探索急需优秀人才。”张杰一边对陈民说,脑海里一边浮现出多年前的一个类似场景。

时间倒回到1997年,张杰还在英国卢瑟福实验室工作时,就已经是高能量密度物理研究领域知名的青年学者。当时的国家自然科学基金委主任张存浩赴英国访问见到张杰。“他说国家发展急需各方面的科技创新,急需青年人才,他的话深深打动了我。”张杰向《中国科学报》回忆道。

在国家自然科学基金委“委主任基金”和杰出青年基金的支持下,张杰与魏志义等同事建成了国内第一台太瓦级飞秒激光装置和第一批实验诊断设备,并取得了一系列成果,得到了国际学术界的认可。“现在,培养年轻人的接力棒交到了我的手里。”他说。

张杰、钱列加、盛政明作为这个“三位一体”研究团队中的“三剑客”,引进和培养了一代又一代的“三剑客”,关心他们的生活、工作,引导他们将个人梦想规划在国家快速发展的大局中。

更重要的是,他们培养了一支更加年轻的生力军。除了对研究生的系统培养外,张杰团队还专门在上海交通大学致远学院为本科大三学生开设思维训练课程。为上好这门课,张杰“集齐”了群体成员,以激光聚变的实际研究内容为场景,以超高的师生比例,手把手培养学生主动探究科研前沿、创造新知识的思维方法。

“我们希望在课堂上把多年科研生涯形成的正确思维方式传授给本科生,让他们真正学会研究型的学习方法,成为未来的创新型领军人才。”张杰指出。

对极端高能量密度物理前沿的探索仍然在继续。张杰相信,随着他们研究的深入,打开高能量密度“宇宙”奥秘的钥匙终会被发现。

《中国科学报》:如何产生高能量密度物理状态?

张杰:用一个形象的比方来说明我们所研究的极端高能量密度状态:相当于15艘辽宁舰摞起来,压缩到大拇指的面积上所产生的压强,也就是大约1百万大气压的压强下所对应的高能量密度。激光技术的突破为高能量密度物理的研究提供了可能。

近年来,高能量密度物理研究取得快速进展的原因主要得益于雷达中的啁啾脉冲放大(CPA)技术引入到了激光领域,使激光强度在14年的时间内提高了100万倍。而我们团队成员钱列加教授等人在此基础上,将超短超强激光的放大能力又提高了10倍,这才使在我们实验室产生极端高能量密度状态成为可能。

《中国科学报》:高能量密度物理研究的基本方法是什么?

张杰:高能量密度物理研究需要将理论和数值模拟、超高的时空分辨实验诊断技术以及超短超强激光技术三个方面紧密结合。以我们创新群体项目为例,在理论和数值模拟提出新的概念和方向后,将激光技术和实验诊断结合在一起创造条件去验证,然后,从实验结果中进一步发现新的物理规律,预言新的实验结果。这样的过程反复进行,才能推动我们对高能量密度物理过程“螺旋式”上升的认识。

《中国科学报》:根据您的判断,未来10年,高能量密度物理研究的发展方向是什么?

张杰:高能量密度物理研究运动速度非常高的微观物体运动规律,它涉及量子力学和相对论物理等交叉学科应用的很多挑战。狭义相对论适用于速度非常高的物体,而量子力学适用范围则是温度极低、运动速度很小的微观物体。因此,以集体效应为主的高能量密度状态为我们发现新物理规律提供了可能。

高能量密度物理前沿突破还要依赖于超短超强激光技术的发展。我们预计,未来10年里,超短超强激光的聚焦功率密度将有可能提高到1021~1023瓦每平方厘米。在这样的光强下,未来10年的核心科学问题将是以量子电动力学效应为核心的超相对论高能量密度物理。我真诚地邀请更多年轻科研工作者抓住机遇,与我们一起享受在高能量密度“宇宙”中探索奥秘的快乐。

 
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