宇宙中絕大多數(shù)物質(zhì)均處于高能量密度等離子體狀態(tài)，而像地球一樣存在物質(zhì)固液氣三相的地方卻極其罕見。因此，科學(xué)家夢寐以求的愿望是在地球?qū)嶒?yàn)室里“復(fù)制”高能量密度的“宇宙”，以便探索它的奧秘。為此，從超短超強(qiáng)激光技術(shù)、超高時(shí)空分辨實(shí)驗(yàn)診斷技術(shù)以及復(fù)雜的理論與數(shù)值模擬等三個(gè)維度進(jìn)行“三位一體”研究是必須的。
中國科學(xué)院院士張杰帶領(lǐng)的“高能量密度物理若干前沿問題研究”創(chuàng)新研究群體就是這樣的“三位一體”研究團(tuán)隊(duì)。在連續(xù)三期國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目(以下簡稱創(chuàng)新群體項(xiàng)目)的支持下，該科研團(tuán)隊(duì)在對(duì)高能量密度物理奧秘的探索中，取得了一批國際領(lǐng)先水平的研究成果。
基礎(chǔ)研究最需要夢想
上海交通大學(xué)激光等離子體教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是張杰和研究團(tuán)隊(duì)的大本營。在這里，“夢想”是使用頻率最高的關(guān)鍵詞。“探索高能量密度物理世界的奧秘，最需要的是夢想。”張杰告訴《中國科學(xué)報(bào)》。
新的物理規(guī)律和現(xiàn)象，總是在人類探索最極端條件下的物質(zhì)狀態(tài)時(shí)被發(fā)現(xiàn)。挑戰(zhàn)高能量密度物理的極限、探索高能量密度“宇宙”中的奧秘，正是張杰研究團(tuán)隊(duì)的夢想。
想要在地球上產(chǎn)生極端高能量密度狀態(tài)并對(duì)其中的奧秘進(jìn)行創(chuàng)新研究，就必須想辦法將盡可能大的能量匯聚在極小的時(shí)空尺度，這就需要挑戰(zhàn)超短超強(qiáng)激光的極限，挑戰(zhàn)高時(shí)空分辨測量的極限，挑戰(zhàn)人類認(rèn)知的極限。
美國羅切斯特大學(xué)的Gerard Mourou和Donna Strickland1985年發(fā)明的超短脈沖“啁啾脈沖放大”(CPA)技術(shù)將超短超強(qiáng)激光的輸出功率提升了100萬倍，使得在大學(xué)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造高能量密度物理狀態(tài)成為可能，他們也因此獲得2018年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在創(chuàng)新群體項(xiàng)目支持下，錢列加教授等群體成員提出了“準(zhǔn)參量啁啾脈沖放大”(QPCPA)的新方案，打破CPA技術(shù)的放大極限，將超短超強(qiáng)激光的放大能力又提高了10倍，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，有望將單束超短超強(qiáng)激光推進(jìn)到前所未有的1017瓦的極端超高功率區(qū)域。
群體成員向?qū)Ы淌谠诔祀娮友苌浞矫嫒〉弥匾黄?。他們將加速器領(lǐng)域的雙偏轉(zhuǎn)消色差技術(shù)與激光領(lǐng)域啁啾脈沖放大壓縮技術(shù)結(jié)合，將超快電子衍射的時(shí)間分辨率提高到優(yōu)于50飛秒，把美國同行保持多年的分辨率世界紀(jì)錄提高了近3倍。這意味著，拍攝超高時(shí)間分辨率的原子電影將成為現(xiàn)實(shí)。
在高能量密度物態(tài)下的粒子加速方面，群體成員陳民教授通過理論分析和大規(guī)模數(shù)值模擬研究，提出了一種全新的激光等離子體尾波加速級(jí)聯(lián)方案，有望大幅提升級(jí)聯(lián)耦合效率，為產(chǎn)生1011電子伏以上的高能電子束提供了可能。
在高能量密度物態(tài)演化方面，群體成員在神光II實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的研究揭示了全新的磁重聯(lián)特征，驗(yàn)證了歐洲太空總署衛(wèi)星的觀察結(jié)果。此外，群體成員盛政明教授等還研究了太陽內(nèi)磁湍流，解釋了相對(duì)論強(qiáng)激光與固體靶作用中的超強(qiáng)磁場以及湍流產(chǎn)生。這些研究為利用強(qiáng)激光研究天體高能量密度狀態(tài)的演化提供了全新思路。
對(duì)于上述成果，張杰總結(jié)道：“以探索高能量密度物理過程最本質(zhì)的未知為夢想，鍥而不舍地三位一體攻關(guān)，才能不斷發(fā)現(xiàn)高能量密度‘宇宙’中的新奧秘。”
服務(wù)國家戰(zhàn)略需求
攀登科學(xué)高峰的同時(shí)，科研團(tuán)隊(duì)牢記服務(wù)國家戰(zhàn)略需求的使命。在創(chuàng)新群體項(xiàng)目支持下，科研團(tuán)隊(duì)將多個(gè)研究成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用于國家科技重大專項(xiàng)任務(wù)等國家戰(zhàn)略需求。
歷經(jīng)9年，貫穿整個(gè)創(chuàng)新群體項(xiàng)目的三期研究，錢列加教授等研制的創(chuàng)新儀器“強(qiáng)激光脈沖超高對(duì)比度單次測量儀”從設(shè)計(jì)構(gòu)思、基礎(chǔ)研究、技術(shù)發(fā)明成功走向工程應(yīng)用。
用于探索極端高能量密度物理現(xiàn)象的超短超強(qiáng)激光不僅需要具有高達(dá)相對(duì)論光強(qiáng)的脈沖峰值，而且還要求背景光噪聲低至單光子水平，兩者的對(duì)比度反差超過10個(gè)數(shù)量級(jí)。如何僅用單個(gè)脈沖一次性測量這種超高對(duì)比度脈沖是強(qiáng)激光領(lǐng)域的世界級(jí)難題。張杰表示：“錢列加等人十年磨一劍，創(chuàng)造性地解決了這個(gè)世界級(jí)測量難題，實(shí)現(xiàn)了1013的超高對(duì)比度單發(fā)次測量能力，高于國外報(bào)道最好結(jié)果3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。”
更令人振奮的是，這個(gè)國際上唯一實(shí)用化的超短超強(qiáng)激光脈沖對(duì)比度單發(fā)次測量裝置，已經(jīng)應(yīng)用于我國擁有的全部超短超強(qiáng)激光裝置，為我國戰(zhàn)略科技作出了不可或缺的貢獻(xiàn)。
此外，“MeV能量超快電子診斷系統(tǒng)”也已應(yīng)用于我國激光聚變研究的等離子體電場測量，可為解決激光聚變中激光等離子體不穩(wěn)定性的來源問題提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
“接力”培養(yǎng)“三劍客”人才
在連續(xù)三期創(chuàng)新群體項(xiàng)目結(jié)題時(shí)，張杰發(fā)現(xiàn)一個(gè)有意思的現(xiàn)象。“我們?nèi)后w成員的平均年齡并沒有增加9歲，而是與項(xiàng)目申請(qǐng)時(shí)差不多。”原因就在于，研究團(tuán)隊(duì)不斷吸納年輕人才加入。創(chuàng)新群體項(xiàng)目不僅為他們從事基礎(chǔ)研究提供了寬松條件與創(chuàng)新環(huán)境，更使研究團(tuán)隊(duì)的人才梯隊(duì)建設(shè)成為可能。
“人才是頭等大事。”張杰強(qiáng)調(diào)。
2011年9月29日，張杰前往美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分校邀請(qǐng)科研成績突出的青年科學(xué)家陳民加入團(tuán)隊(duì)。“我向他講了國家對(duì)基礎(chǔ)研究的重視，我們的前沿探索急需優(yōu)秀人才。”張杰一邊對(duì)陳民說，腦海里一邊浮現(xiàn)出多年前的一個(gè)類似場景。
時(shí)間倒回到1997年，張杰還在英國盧瑟福實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)，就已經(jīng)是高能量密度物理研究領(lǐng)域知名的青年學(xué)者。當(dāng)時(shí)的國家自然科學(xué)基金委主任張存浩赴英國訪問見到張杰。“他說國家發(fā)展急需各方面的科技創(chuàng)新，急需青年人才，他的話深深打動(dòng)了我。”張杰向《中國科學(xué)報(bào)》回憶道。
在國家自然科學(xué)基金委“委主任基金”和杰出青年基金的支持下，張杰與魏志義等同事建成了國內(nèi)第一臺(tái)太瓦級(jí)飛秒激光裝置和第一批實(shí)驗(yàn)診斷設(shè)備，并取得了一系列成果，得到了國際學(xué)術(shù)界的認(rèn)可。“現(xiàn)在，培養(yǎng)年輕人的接力棒交到了我的手里。”他說。
張杰、錢列加、盛政明作為這個(gè)“三位一體”研究團(tuán)隊(duì)中的“三劍客”，引進(jìn)和培養(yǎng)了一代又一代的“三劍客”，關(guān)心他們的生活、工作，引導(dǎo)他們將個(gè)人夢想規(guī)劃在國家快速發(fā)展的大局中。
更重要的是，他們培養(yǎng)了一支更加年輕的生力軍。除了對(duì)研究生的系統(tǒng)培養(yǎng)外，張杰團(tuán)隊(duì)還專門在上海交通大學(xué)致遠(yuǎn)學(xué)院為本科大三學(xué)生開設(shè)思維訓(xùn)練課程。為上好這門課，張杰“集齊”了群體成員，以激光聚變的實(shí)際研究內(nèi)容為場景，以超高的師生比例，手把手培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探究科研前沿、創(chuàng)造新知識(shí)的思維方法。
“我們希望在課堂上把多年科研生涯形成的正確思維方式傳授給本科生，讓他們真正學(xué)會(huì)研究型的學(xué)習(xí)方法，成為未來的創(chuàng)新型領(lǐng)軍人才。”張杰指出。
對(duì)極端高能量密度物理前沿的探索仍然在繼續(xù)。張杰相信，隨著他們研究的深入，打開高能量密度“宇宙”奧秘的鑰匙終會(huì)被發(fā)現(xiàn)。
《中國科學(xué)報(bào)》：如何產(chǎn)生高能量密度物理狀態(tài)?
張杰：用一個(gè)形象的比方來說明我們所研究的極端高能量密度狀態(tài)：相當(dāng)于15艘遼寧艦摞起來，壓縮到大拇指的面積上所產(chǎn)生的壓強(qiáng)，也就是大約1百萬大氣壓的壓強(qiáng)下所對(duì)應(yīng)的高能量密度。激光技術(shù)的突破為高能量密度物理的研究提供了可能。
近年來，高能量密度物理研究取得快速進(jìn)展的原因主要得益于雷達(dá)中的啁啾脈沖放大(CPA)技術(shù)引入到了激光領(lǐng)域，使激光強(qiáng)度在14年的時(shí)間內(nèi)提高了100萬倍。而我們團(tuán)隊(duì)成員錢列加教授等人在此基礎(chǔ)上，將超短超強(qiáng)激光的放大能力又提高了10倍，這才使在我們實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生極端高能量密度狀態(tài)成為可能。
《中國科學(xué)報(bào)》：高能量密度物理研究的基本方法是什么?
張杰：高能量密度物理研究需要將理論和數(shù)值模擬、超高的時(shí)空分辨實(shí)驗(yàn)診斷技術(shù)以及超短超強(qiáng)激光技術(shù)三個(gè)方面緊密結(jié)合。以我們創(chuàng)新群體項(xiàng)目為例，在理論和數(shù)值模擬提出新的概念和方向后，將激光技術(shù)和實(shí)驗(yàn)診斷結(jié)合在一起創(chuàng)造條件去驗(yàn)證，然后，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)新的物理規(guī)律，預(yù)言新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這樣的過程反復(fù)進(jìn)行，才能推動(dòng)我們對(duì)高能量密度物理過程“螺旋式”上升的認(rèn)識(shí)。
《中國科學(xué)報(bào)》：根據(jù)您的判斷，未來10年，高能量密度物理研究的發(fā)展方向是什么?
張杰：高能量密度物理研究運(yùn)動(dòng)速度非常高的微觀物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，它涉及量子力學(xué)和相對(duì)論物理等交叉學(xué)科應(yīng)用的很多挑戰(zhàn)。狹義相對(duì)論適用于速度非常高的物體，而量子力學(xué)適用范圍則是溫度極低、運(yùn)動(dòng)速度很小的微觀物體。因此，以集體效應(yīng)為主的高能量密度狀態(tài)為我們發(fā)現(xiàn)新物理規(guī)律提供了可能。
高能量密度物理前沿突破還要依賴于超短超強(qiáng)激光技術(shù)的發(fā)展。我們預(yù)計(jì)，未來10年里，超短超強(qiáng)激光的聚焦功率密度將有可能提高到1021~1023瓦每平方厘米。在這樣的光強(qiáng)下，未來10年的核心科學(xué)問題將是以量子電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)為核心的超相對(duì)論高能量密度物理。我真誠地邀請(qǐng)更多年輕科研工作者抓住機(jī)遇，與我們一起享受在高能量密度“宇宙”中探索奧秘的快樂。
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