导读：采用三维动力学模拟技术，来自 University of California - San Diego的研究人员采用预填充的圆柱形通道及其随激光功率（激光功率为几个PW，中文拍瓦激光器）的变化，利用激光照射靶材实现织构，来促使准直γ射线的发射。这一成果发表在近期发表的《Phys. Rev. Applied》期刊上，题目为：Power Scaling for Collimated γ-Ray Beams Generated by Structured Laser-Irradiated Targets and Its Application to Two-Photon Pair Production。这一研究成果为研究人员在利用极端光基础设施的高功率激光装置来使用光来合成物质上提供了新的菜谱（诀窍）。

Lawrence Livermore 国家实验室的高功率激光装置，来自：University of California

在宇宙中，几分钟的时间对整个宇宙来说，太过短暂，光能的碰撞发射却可以产生物质和反物质的第一粒子。我们对于可逆过程——物质产生能量——从篝火到原子弹的每一个事情都非常的熟悉，但是对于从光转变成物质的关键性转变的创造却非常困难。为什么物质能够产生光，而不能从光创造出物质呢？

图位于罗马尼亚的极端光基础设施：每分钟发射 10 PW的高功率激光装置

如今，来自 University of California - San Diego的研究人员利用一套模拟技术为利用光制造物质指明了方向。这一过程开始于采用高功率激光在一个靶材上照射产生强大的磁场，强大到什么程度呢，同中子星的磁场一样强。这一磁场进而产生γ射线并通过碰撞来制造物质——在每一个 最短的瞬间——形成了物质和反物质粒子对。这一研究成果，发表在5月11的期刊《Physical Review Applied 》上，这一发现为位于欧洲东部的极端光学基础设施（Extreme Light Infrastructure (ELI) ）高功率激光装置的研究人员在随后的一到两年内利用光制造真正的物质提供了一套食谱（诀窍）。他们的这一研究成果使得科学家们在一定程度上，客可以这样说，第一次，在探索宇宙的基本过程上又取得了重大的基础研究进展。

扭曲或螺旋激光波驱动的扭曲等离子体波结构模拟图 （电子密度扰动）

利用大功率

研究人员针对这一研究已经开展了好几年的工作，一直致力于制造出强烈的、定向的能量和具有辐射束性质的物质，该项工作等得到了国家自然科学基金和空军研究院的资助。实现这一目的一个办法就是，在一个靶材上利用高功率激光产生强磁场，该强磁场同时能够摆脱强烈的能量释放的束缚。

图 （a）激光辐射织构靶材直接产生伽马射线的示意图

（b）电子轨道，其中灰度是指电子发射时的方向和能量，（c-d）激光能量为1和4PW市得到的伽马射线

高强、超短激光脉冲对准致密靶材来渲染靶材，当激光中电子的速度非常接近光速的时候，靶材就会变得“相对透明”，并会在事实上变得重一些。这使得激光中的电子从移动到靶材逐渐变成对靶材形成遮蔽激光的一种效应。当激光将这些电子推开的时候，就会产生强大的磁场，强大到可以同中子星一样可以对其表面的物质产生拉-拽的作用。这一磁场是地球上磁场强度的100 million以上的倍数。

采用的高功率激光其功率在几个帕瓦的范围。一个帕瓦是1 million billion 瓦。为了便于比较和变化与大家理解，太阳传输到地球表面大气层的能量大概为174帕瓦。我们的PPT放映时所使用的激光笔一般功率为0.005W。

早先的模拟结果显示激光是可以提高功率并对准一个小点来照射而产生所需要的强度来制造出足够强的磁场。新的模拟结果也表明增加局部点的尺寸，同时提升激光功率至4帕瓦左右，激光的强度可以维持在固定的范围并可以制造出强的磁场来。在以上条件下，模拟结果表明，激光加速磁场中的电子可以激发形成高能伽马射线。

“我们并期望我们不能够实现疯狂的强度，指需要增加足够的功率，你就可以获得你所需要的感兴趣的事务。”以为研究人员阿睿菲（音译）说道

该项研究中的一项比较有趣的事情就是正负电子对——物质和反物质的成对粒子的制造。这些粒子可以通过两束伽马射线的碰撞或者一个伽马射线碰撞黑体辐射来实现。其中一个物体起到吸收所有的辐射的作用。这一技术可以制造出很多成千上万对这样的物质。

“科学家们早在1997年斯坦福实验中就实现的物利用光来创造物质，但该实验需要一个额外的高能电子才能个进行，而新的方法仅仅只需要一束光就可以创造物质。”研究人员阿睿菲（音译）说道，他同时提到在斯坦福实验中大概需要100次的冲击才会产生一对粒子。

仅仅采用光来制造物质的实验在采用模拟的办法进行了实验，模拟了在第一分钟产生物质的条件，为研究人员探索这一关键的时刻段提供了非常有益的改进的模拟模型。这一实验同时为研究反物质提供了更多的机会，反物质一直是宇宙中存在的一个比较神秘的组成部分。例如，科学家非常好奇的想知道更多的为什么宇宙存在的物质比反物质多，因为物质和反物质本来应该是存在一样多的。

阿睿菲（音译）及其团队受到极大的鼓舞，他们将更加投入的研究这项研究，这是因为目前激光基础设施（大功率激光）可以保证他们来进行真正的实验来进行验证。因为经过计算，在以前所需要的激光功率时不能实现的，到在最近，所需要的高功率激光很容易实现。同时这一模拟结果对研究人员在发展高功率激光的时候也非常有帮助。因为在高功率激光实验的时候，激光点火，目标在很短的时间内被完全破坏，几乎没有任何物质可以被恢复，你甚至无法直接测量出到底在实际上使用了多大的激光功率。但有了这一模拟结果就不一样了。

但如果实验验证获得的伽马射线及其获得粒子对同模拟结果一样的话，那就从侧面证实了我们所发展的激光功率也的确到达了这一能量密度。

在去年， University of California获得了美国国家自然科学基金的资助并获得批准同极端光基础设施的研究人员一起开展这一工作。这种合作关系对他们来说是至关重要的，因为在2018年以前在美国境内，他们没有相应的激光器来开展实验验证高功率（依据2018年的公开报道）。当时美国国家科学院曾经提出警示，美国在投入研究高强度的超快激光技术上正在失去这一优势，如果还不重视和投入巨资研究的话。

阿睿菲（音译）说，极端光基础设施将在随后进行相应的实际验证以验证模拟结果的准确性。这也是我们要将这一结果进行公开报道的原因。这是因为激光已经在运行当中，我们所设想的距离实际非常接近，作为科学，这也是吸引我的地方，眼见为实。

知识小TIPs：极端光基础设施是欧洲研究技术设施战略论坛选定的，欧洲下一代大型研究设施计划不可分割的一部分。极端光基础设施项目将首次实现对超相对主义范围内光与物质之间最强度的相互作用研究，将在物理学开辟通往新领域的道路，并推动相对微电子和小型激光粒子加速器等新技术的发展。ELI对材料科学、医学和环境保护等诸多领域将产生相当大的影响。

ELI是首个民用大型高功率激光研究设施，是整个欧洲和全球科学共同成果。目前已经有匈牙利、捷克和罗马尼亚三个ELI研究结构，任务分别是阿托秒、光束和核光电。第四个的位置待确定，计划建设200PW峰值功率密度的激光脉冲装置。

参考文献：

https://www.photonics.com/Articles/Ramping_Up_with_High-Intensity_Lasers/a65698

https://eli-laser.eu

文章来源：

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