在实验室中生产高密度、相对论性的电子-正电子对等离子体可以显著加深对脉冲星和类星体等外来天体物体的理解，但这极具挑战性。随着高强度激光技术的发展，几种产生方法已经被证明或被提出，在不同的激光强度范围内，不同的机理支配着物理学。例如，Schwinger机制需要极高的强度，高于约10*29W / cm，才能从真空中自发形成一对，而Breit-Wheeler(BW)机制对于雪崩型放电则需要约10*24W / cm. 这些强度远远超出了最先进的激光器的能力（高达10 W / cm）。

另一种方法是将激光产生的高能电子注入到高Z靶材料中，原子核的静电场参与成对产生过程，从而释放了对激光电场强度的约束。如果使用厚的转换靶，则正电子主要通过三步Bethe-Heitler（BH）过程产生。首先，相对论电子通过靶正面的激光等离子体相互作用(laser plasma interaction, LPI)产生。这些电子然后通过高Z靶材料传输并通过Bre致辐射产生高能光子。然后，高能光子在原子核场中的传播会产生电子-正电子对。关键步骤是将激光能量转换为足够的高能量电子，为此，仅需要中等强度的激光（10 W / cm）。使用这种类型的装置进行的实验最多可产生10对/发射，这是迄今为止使用激光报道的最高产量。

研究人员在本文中通过实验证明了使用靶结构在产生的正电子的产率和能量上都有实质性的提高，这提出了一种改进正电子源的有效而廉价的方法。用代码Chicago进行的单元内粒子(Particle-in-cell, PIC)模拟已用于解释实验结果，并允许直接模拟LPI对正电子产率的影响。而且，仿真结果与实验数据吻合良好。

实验装置的示意图如图1(a)所示。用OMEGA EP激光脉冲辐照结构化的靶标，该激光脉冲的波长为1.053μm，能量为500μJ，脉冲长度约为700 fs。80％的激光能量被封装在直径为35μm的焦点中，这是由即时波前和远场测量得出的。根据测得的注量图，峰强度估计为4.5××10 W / cm。在实验之前，通过热电子温度的PIC模拟对结构的几何形状（间距和长度）进行了优化。这种几何结构（我们称为结构1）是直径为3μm，长度为13μm，中心距为15μm的硅微线阵列。

作为参考，我们还拍摄了平坦的目标以及另一种未优化的结构（结构2），该结构在模拟中显示出对电子能量的有害影响。结构2的直径为3μm，长度为100μm，中心距为7μm。后一个目标中的微丝的长度比激光的聚焦深度长得多，并且它们之间的间距比激光焦点的尺寸小得多，因此它们在传播过程中往往会破坏激光脉冲，从而导致激光质量差临界密度表面的强度。因此，它们导致了低能电子光谱。

▲图1. (a) 实验装置的示意图。(b) 预先优化的目标结构1的扫描电子显微镜（SEM）图像。(c) 未优化的结构2的SEM图像。

图1(b) 和 (c) 显示了实验中使用的两种靶结构的扫描电子显微镜图像。首先通过汽-液-固生长法在硅111晶圆上生长高度为100μm的硅微线阵列（结构2），而从硅100晶圆上蚀刻出较短的微线阵列（结构1）然后通过深度反应离子刻蚀将微丝嵌入约30μm厚的聚二甲基硅氧烷层中，并从基材上剥离下来。然后将此薄的二甲基硅氧烷层胶合到1 amm厚的Au背衬层。在这种情况下，由表面结构生成和引导的高能电子将通过厚的高Z靶材料（Au）传输并诱导成对产生。实验中使用的金块的横向尺寸也为1 mm。激光以法线入射方向对准目标，微线阵列沿激光方向定向。在先前的工作中已经证明了这种配置可以最大程度地增强电子能量。通过电子/正电子能谱仪沿着激光方向在靶背面测量了正电子光谱。

在以前的研究中使用微小的金矿样品制造了约1000亿个反物质颗粒。而该实验将其翻倍了。这些成功的实验结果对于Livermore正电子项目很重要，该项目的主要目标是制造足够的电子-正电子反物质来研究伽马射线爆发的物理学。该项目的负责人Hui Chen表示，“我们发现实验还创建了可以穿透非常密集的物体的高能量（MeV）X射线背光灯，这对于高能量密度科学的许多方面都很重要。”

当在高能粒子碰撞期间（例如在高能粒子碰撞期间）将足够的能量压缩到一个很小的空间中时，会自动生成粒子对-反粒子对。当能量转化为质量时，物质和反物质的产生量相等。在这些实验中，强烈的激光-等离子体相互作用产生了非常高的能量电子，其能量与金靶相互作用时可以产生电子-正电子对。

研究人员使用先前的结果和新的模拟来设计微结构，这些微结构可以增强或减小这种相互作用，从而导致相对于现有技术增强或抑制正电子的产生。该实验合著者Anthony link表示：“仿真与实验之间的协议非常出色，使我们充满信心，我们正在捕捉最重要的物理机制。”

在小型实验室中产生大量正电子的能力为反物质研究的新途径打开了大门，其中包括对各种天体物理现象（如黑洞和伽马射线爆发）以及形成致密电子的途径的物理基础的理解正电子等离子体在实验室中。

总之，该实验证明前表面靶结构可显着提高正电子的产量和能量，从而构成了一种将激光产生的正电子源用于实验室天体物理学应用的经济有效的方法。后续模拟解释了由靶结构操纵的激光-等离子体相互作用如何影响正电子的产率和能量的整个过程。模拟和实验光谱之间的一致性表明，使用两阶段PIC模拟可以进一步优化目标。

“在典型的金靶上添加前表面微观结构，是一种在保持相同激光条件的同时大幅提高正电子产量的经济有效的方法。这是朝着将激光产生的正电子源用于各种应用的一步。”该论文的主要作者姜胜说。

该实验由LLNL在美国能源部的主持下进行，由LDRD、美国能源部科学办公室和洛克希德·马丁公司资助。此外还有加州理工学院Kavli纳米科学研究所的工作人员在制造方面的技术支持。

本文来源：S. Jiang et al. Enhancing positron production using front surface target structures, Applied Physics Letters (2021).