導讀：采用三維動力學模擬技術，來自 University of California - San Diego的研究人員采用預填充的圓柱形通道及其隨激光功率（激光功率為幾個PW，中文拍瓦激光器）的變化，利用激光照射靶材實現織構，來促使準直γ射線的發射。這一成果發表在近期發表的《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設施的高功率激光裝置來使用光來合成物質上提供了新的菜譜（訣竅）。
Lawrence Livermore 國家實驗室的高功率激光裝置，來自：University of California
在宇宙中，幾分鐘的時間對整個宇宙來說，太過短暫，光能的碰撞發射卻可以產生物質和反物質的第一粒子。我們對于可逆過程——物質產生能量——從篝火到原子彈的每一個事情都非常的熟悉，但是對于從光轉變成物質的關鍵性轉變的創造卻非常困難。為什么物質能夠產生光，而不能從光創造出物質呢？
圖位于羅馬尼亞的極端光基礎設施：每分鐘發射 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為利用光制造物質指明了方向。這一過程開始于采用高功率激光在一個靶材上照射產生強大的磁場，強大到什么程度呢，同中子星的磁場一樣強。這一磁場進而產生γ射線并通過碰撞來制造物質——在每一個 最短的瞬間——形成了物質和反物質粒子對。這一研究成果，發表在5月11的期刊《Physical Review Applied 》上，這一發現為位于歐洲東部的極端光學基礎設施（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利用光制造真正的物質提供了一套食譜（訣竅）。他們的這一研究成果使得科學家們在一定程度上，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研究進展。
扭曲或螺旋激光波驅動的扭曲等離子體波結構模擬圖 （電子密度擾動）
利用大功率
研究人員針對這一研究已經開展了好幾年的工作，一直致力于制造出強烈的、定向的能量和具有輻射束性質的物質，該項工作等得到了國家自然科學基金和空軍研究院的資助。實現這一目的一個辦法就是，在一個靶材上利用高功率激光產生強磁場，該強磁場同時能夠擺脫強烈的能量釋放的束縛。
圖 （a）激光輻射織構靶材直接產生伽馬射線的示意圖
（b）電子軌道，其中灰度是指電子發射時的方向和能量，（c-d）激光能量為1和4PW市得到的伽馬射線
高強、超短激光脈沖對準致密靶材來渲染靶材，當激光中電子的速度非常接近光速的時候，靶材就會變得“相對透明”，并會在事實上變得重一些。這使得激光中的電子從移動到靶材逐漸變成對靶材形成遮蔽激光的一種效應。當激光將這些電子推開的時候，就會產生強大的磁場，強大到可以同中子星一樣可以對其表面的物質產生拉-拽的作用。這一磁場是地球上磁場強度的100 million以上的倍數。
采用的高功率激光其功率在幾個帕瓦的范圍。一個帕瓦是1 million billion 瓦。為了便于比較和變化與大家理解，太陽傳輸到地球表面大氣層的能量大概為174帕瓦。我們的PPT放映時所使用的激光筆一般功率為0.005W。
早先的模擬結果顯示激光是可以提高功率并對準一個小點來照射而產生所需要的強度來制造出足夠強的磁場。新的模擬結果也表明增加局部點的尺寸，同時提升激光功率至4帕瓦左右，激光的強度可以維持在固定的范圍并可以制造出強的磁場來。在以上條件下，模擬結果表明，激光加速磁場中的電子可以激發形成高能伽馬射線。
“我們并期望我們不能夠實現瘋狂的強度，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。”以為研究人員阿睿菲（音譯）說道
該項研究中的一項比較有趣的事情就是正負電子對——物質和反物質的成對粒子的制造。這些粒子可以通過兩束伽馬射線的碰撞或者一個伽馬射線碰撞黑體輻射來實現。其中一個物體起到吸收所有的輻射的作用。這一技術可以制造出很多成千上萬對這樣的物質。
“科學家們早在1997年斯坦福實驗中就實現的物利用光來創造物質，但該實驗需要一個額外的高能電子才能個進行，而新的方法僅僅只需要一束光就可以創造物質。”研究人員阿睿菲（音譯）說道，他同時提到在斯坦福實驗中大概需要100次的沖擊才會產生一對粒子。
僅僅采用光來制造物質的實驗在采用模擬的辦法進行了實驗，模擬了在第一分鐘產生物質的條件，為研究人員探索這一關鍵的時刻段提供了非常有益的改進的模擬模型。這一實驗同時為研究反物質提供了更多的機會，反物質一直是宇宙中存在的一個比較神秘的組成部分。例如，科學家非常好奇的想知道更多的為什么宇宙存在的物質比反物質多，因為物質和反物質本來應該是存在一樣多的。
阿睿菲（音譯）及其團隊受到極大的鼓舞，他們將更加投入的研究這項研究，這是因為目前激光基礎設施（大功率激光）可以保證他們來進行真正的實驗來進行驗證。因為經過計算，在以前所需要的激光功率時不能實現的，到在最近，所需要的高功率激光很容易實現。同時這一模擬結果對研究人員在發展高功率激光的時候也非常有幫助。因為在高功率激光實驗的時候，激光點火，目標在很短的時間內被完全破壞，幾乎沒有任何物質可以被恢復，你甚至無法直接測量出到底在實際上使用了多大的激光功率。但有了這一模擬結果就不一樣了。
但如果實驗驗證獲得的伽馬射線及其獲得粒子對同模擬結果一樣的話，那就從側面證實了我們所發展的激光功率也的確到達了這一能量密度。
在去年， University of California獲得了美國國家自然科學基金的資助并獲得批準同極端光基礎設施的研究人員一起開展這一工作。這種合作關系對他們來說是至關重要的，因為在2018年以前在美國境內，他們沒有相應的激光器來開展實驗驗證高功率（依據2018年的公開報道）。當時美國國家科學院曾經提出警示，美國在投入研究高強度的超快激光技術上正在失去這一優勢，如果還不重視和投入巨資研究的話。
阿睿菲（音譯）說，極端光基礎設施將在隨后進行相應的實際驗證以驗證模擬結果的準確性。這也是我們要將這一結果進行公開報道的原因。這是因為激光已經在運行當中，我們所設想的距離實際非常接近，作為科學，這也是吸引我的地方，眼見為實。
知識小TIPs：極端光基礎設施是歐洲研究技術設施戰略論壇選定的，歐洲下一代大型研究設施計劃不可分割的一部分。極端光基礎設施項目將首次實現對超相對主義范圍內光與物質之間最強度的相互作用研究，將在物理學開辟通往新領域的道路，并推動相對微電子和小型激光粒子加速器等新技術的發展。ELI對材料科學、醫學和環境保護等諸多領域將產生相當大的影響。
ELI是首個民用大型高功率激光研究設施，是整個歐洲和全球科學共同成果。目前已經有匈牙利、捷克和羅馬尼亞三個ELI研究結構，任務分別是阿托秒、光束和核光電。第四個的位置待確定，計劃建設200PW峰值功率密度的激光脈沖裝置。
參考文獻：
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
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