近日，中國科學院上海光機所超強激光科學與技術全國重點實驗室李儒新院士和田野研究員團隊，實現了基于超強超短激光精密調控等離子體的亞相對論量級無碰撞激波，激波速度達到光速的3%（約107 m/s）。
團隊創新性地采用納秒時域雙脈沖強度參數的精密調控方法，利用該時域結構型脈沖驅動等離子體，發現了自組織強磁場（最高值5000T）介導產生了亞相對論無碰撞激波，在受控條件下復現了激波速度相當的銀河系最年輕超新星遺跡SNR G1.9+0.3的極端物理環境。相關工作以“Observation of sub-relativistic collisionless shock generation and breakout dynamics”為題，4月28日發表在國際期刊《自然通訊》雜志。
相對論無碰撞沖擊波是當沖擊波傳播速度接近光速，且粒子間碰撞頻率極低時形成的極端物理現象。其能量耗散和粒子加速主要通過電磁場湍流、波-粒相互作用等非碰撞機制完成。這類沖擊波廣泛存在于宇宙高能現象中，同時也是實驗室高能物理的前沿研究對象。例如引力波（如LIGO探測的中子星并合事件）與電磁信號（伽馬射線、X射線）的多信使天文協同過程，可通過相對論沖擊波研究揭示能量釋放的時間延遲和譜特征。在激光聚變方案中，利用高能激光驅動的無碰撞沖擊波的研究，是提升靶丸壓縮對稱性，增強聚變點火效率的重要途徑。此外，實驗室生成的相對論沖擊波可模擬中子星表面或黑洞吸積盤附近的超強磁場與輻射場，用于測試航天器材料的極限性能。理解星際介質中相對論沖擊波與物質的相互作用，可優化深空探測器防護設計，對抵御高能粒子和輻射損傷具有重要意義。
超強激光可在實驗室內部創造極端的物理環境，美國國家點火裝置[Nat. Phys. 16, 916–920 (2020)]，羅切斯特大學OMEGA[Nat. Phys. 11, 173–176 (2015)]等激光裝置上開展研究探索通過高能激光激發無碰撞激波的可能性，激波速度普遍在104~106 m/s量級。與相對論速度還有多個量級差異，相應領域亟待原理上探索演示。上海光機所團隊于2020年建設完成了上海超強超短激光實驗裝置（又名“羲和”激光裝置），利用超強超短激光在多參數空間維度來探索相對論量級無碰撞激波的產生成為了可能。
超強超短激光時域脈沖調控實現近相對論無碰撞激波示意圖
2023年基金委“超強激光物理基礎科學中心”項目啟動，基于“羲和”激光裝置集群，團隊對前沿基礎科學多個目標陸續展開研究。團隊在前期發展了超快磁光探測方法診斷技術研究自組織強磁場的演化[Phys. Rev. Lett. 121, 255002 (2018)]。在本工作中研究團隊提出采用雙脈沖強激光組合序列來激發固體產生的膨脹等離子體，其中先導脈沖制熱靶材形成“星系介質環境”，第二束主脈沖激發“離子流自組織過程”，研究發現當系統中離子誘導的自組織強磁場進入迅速增長階段時（最高強度達到了5000 T），強磁場中的離子在被散射、減速的過程中實現了磁場主導的無碰撞激波，激波速度達到光速的3%（約107 m/s），和銀河系最重要超新星之一（SNR G1.9+0.3）的激波速度相當。工作被同期刊印的同行評價為“這是等離子體科學和工程領域的重大突破”，“這一現象與眾多天體物理學系統密切相關，包括伽馬射線暴、超新星爆發、千新星、坍縮星以及可能的中子星合并事件。研究結果極具說服力、創新性和關鍵性。”
研究實現了對稠密等離子體復雜動力學過程的精密控制，首次在實驗室中復現了超新星遺跡激波的高能物理條件。這種磁場強度遠超常規實驗室水平，接近中子星表面或超新星激波前沿的極端磁場環境。通過產生與SNR G1.9+0.3相當的激波速度，為解釋超新星遺跡中自組織強磁場主導的無碰撞激波的起源提供了實驗依據。為未來基于“羲和”激光裝置研究更復雜的天體現象如伽馬射線暴噴流、黑洞吸積盤、暗物質湮滅信號等多尺度物理過程提供了技術藍圖，有望開辟“實驗室天體物理學”的新范式，推動強激光物理、等離子體物理和宇宙物理等領域的深度融合。
中國科學院上海光機所白亞鋒副研究員為論文第一作者，李儒新院士和田野研究員為共同通訊作者，相關工作得到國家自然科學基金委基礎科學中心、國家杰出青年科學基金、中國科學院基礎研究青年團隊項目、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）以及基礎研究特區計劃（中國科學院上海分院）等支持。
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