通過將激光脈沖壓縮至千萬億分之一秒量級，物理學家能夠產生瞬時功率相當于100萬座核電站總和的超強脈沖。這種拍瓦級激光器使科學家能夠以新的方式操控材料、模擬行星內部條件甚至分裂原子。如今，加速器物理學家實現了這一壯舉，產生了具有驚人應用潛力的拍瓦級電子脈沖。
“我們將大量電荷壓縮至極短脈沖持續時間，創造了有史以來最高電流、最高峰值功率的電子束。”美國SLAC國家加速器實驗室的加速器物理學家、該研究負責人Claudio Emma說。電子脈沖持續時間僅千萬億分之一秒，卻能攜帶10萬安培電流，相關研究成果發表于《物理評論快報》。
加速器物理學家克Claudio Emma（左）與同事在調試關鍵激光系統。圖片來源：JACQUELINE RAMSEYER ORRELL/SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY
“這是一項超酷的實驗。”未參與該研究的美國布魯克海文國家實驗室的加速器物理學家Sergei Nagaitsev說。“若實現更高強度束流，或將完成從真空中撕裂粒子等非凡壯舉。”英國牛津大學等離子體加速器物理學家Richard D’Arcy補充說。
將高能電子比作賽車有助于理解該技術原理——盡管這種比較并不十分準確。雖然高能電子與低能電子幾乎以相同的速度運動（均接近光速的99.99%），但正如賽車通過彎道時會轉向，電子在磁場中也會發生偏轉。與一輛高速賽車必須在拐彎時走一條更直路線一樣，一個能量更高的電子也在磁場中的運動軌跡也必須走得更直。
Emma和同事巧妙結合了這兩種效應。他們首先在SLAC已有62年歷史的直線加速器中產生了1毫米長電子束。電子通過真空腔室內的無線電波獲得加速的能量：由于前面的電子處于波形的較平緩區段，其獲得能量低于后面的電子，所以形成了所謂的“啁啾”能量分布。
這種啁啾結構為電子束壓縮提供可能。為做到這一點，研究人員使用名為“減速彎”的標準工具，通過一系列磁鐵將電子束發射出去。4組磁鐵使電子束向左、右、右、左快速偏轉，然后回到原軌跡。低能電子因偏轉幅度更大、路徑更長，使得后方高能電子得以追趕，實現從前到后壓縮電子束。
但一個標準的“減速彎”不能產生超短脈沖。Emma解釋，如果物理學家僅依賴加速器自然產生的相對溫和的啁啾，那么旋轉將會非常劇烈，以至于電子會輻射能量，而光束會變得模糊。
為此，SLAC的研究人員改變了計劃。當電子束從第一個加速器部分出來后，它通過了一個叫做波動器的特殊磁鐵。在磁鐵內部，研究人員用低能量激光脈沖使束重疊。這種波動迫使電子向側面擺動，從而使它們能夠與光交換能量。通過調制激光脈沖形態，研究人員在電子束中間增加一個額外的、更顯著的啁啾結構。
隨后，電子束經過3段交替設置的加速段與曲折段，經歷加速-壓縮循環。當激光脈沖被精心調整以匹配隨后的操作時，額外的啁啾最終在束流中部產生僅0.3微米長的超強電子脈沖。
意大利國家核物理研究所的加速器物理學家Massimo Ferrario指出，這種反復的加速-壓縮循環是維持短脈沖的關鍵，“否則同性電荷斥力會立即將其撕裂”。
Nagaitsev表示，采用更短、更強的電子束可顯著提升亮度，將為探測化學過程開辟道路。此外，超強電子脈沖還能模擬天體物理中的等離子體現象，例如某些星體爆炸產生的接近光速的噴流，研究人員只需要將電子束射向正確的目標。
有一天，超強電子束甚至可能探測到真空的本質。D’Arcy指出，它們會產生超強電場，如果其中一個與超強激光脈沖碰撞，激光脈沖也會產生超強電場，就會使空間暴露在非常強的電極化中。如果這個電場足夠強大，可能會將粒子-反粒子對從真空中撕裂出來，這是量子物理學預測但從未觀察到的一種現象。
盡管實現這一目標尚需時日，但若將電子脈沖縮短10倍，研究人員或將接近該目標。Emma和同事計劃用等離子體單元替代激光器，構建更復雜的啁啾調制方案。“我們已實現了10萬安培束流，下一步將沖擊百萬安培級。”
相關論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.085001
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