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热透社

这位刚获“未来科学大奖”的上海交大院士说:探索高能量密度物理世界的奥秘,最需要的是梦想

文汇报 2021-09-13 14:19:24

 

  9月12日,本年度“未来科学大奖”揭晓,其中的“物质科学奖”授予中科院院士、上海交通大学教授张杰,以奖励他通过调控激光与物质相互作用产生精确可控的超短脉冲快电子束,并将其应用于实现超高时空分辨高能电子衍射成像和激光核聚变的快点火研究。

  张杰是利用强激光束与物质相互作用高效产生方向与能量可控的高强度快电子束(~100 keV 到 10 MeV)的开拓者之一。他的研究成果使人类在探索高能量物理世界奥秘的过程中越走越远。

  宇宙就是一个高能量的物理世界,对宇宙的探索不仅能解答我们从哪里来,又将往哪里去这样的终极问题。更意味着我们在宇宙中寻求生存空间拓展的可能,包括太阳这类恒星的能量产生机制给人类带来的终极能源的希望。

  但是,想要在地球上产生极端高能量密度状态并对其中的奥秘进行创新研究,就必须想办法将尽可能大的能量汇聚在极小的时空尺度,这就需要挑战超短超强激光的极限,挑战高时空分辨测量的极限,挑战人类认知的极限。所谓极端高能量密度状态,张杰说,就相当于15艘辽宁舰摞起来,压缩到大拇指的面积上所产生的压强,也就是大约1百万大气压的压强下所对应的高能量密度。激光技术的突破为高能量密度物理的研究提供了可能。

  进入新世纪以来,高能量密度物理研究之所以取得快速进展,主要得益于雷达中的啁啾脉冲放大(CPA)技术引入到了激光领域,使激光强度在14年的时间内提高了100万倍。这是由美国罗切斯特大学的Gerard Mourou和Donna Strickland在1985年发明的超短脉冲“啁啾脉冲放大”(CPA)技术将超短超强激光的输出功率提升了100万倍,使得在大学实验室创造高能量密度物理状态成为可能,他们也因此获得2018年度的诺贝尔物理学奖。

  在创新群体项目支持下,张杰团队打破CPA技术的放大极限,将超短超强激光的放大能力又提高了10倍,创造了新的世界纪录,有望将单束超短超强激光推进到前所未有的1017瓦的极端超高功率区域,使得在实验室产生极端高能量密度状态成为可能。

  自上世纪90年代以来,张杰院士领导中科院物理所和上海交通大学的联合研究团队,在快电子束产生和应用方面就已经取得一系列重要突破,包括高效率产生远离麦克斯韦分布的超短脉冲快电子束,实现对快电子束发射方向与能量的精确调控,实现表面自生电磁场对快电子束的引导和聚焦以及超高时空分辨的兆电子伏特电子衍射与成像等。

  他带领团队对超短脉冲快电子束的研究起源于对激光核聚变中快点火方案研究的需求。这也是人类获得终极能源的可能选项。目前他的团队研制出的这个国际上唯一实用化的超短超强激光脉冲对比度单发次测量装置,已经应用于我国拥有的全部超短超强激光装置,为我国战略科技作出了不可或缺的贡献。

  同时,张杰团队研制的超短脉冲兆电子伏特电子衍射与成像装置,达到了亚埃(1埃等于百亿分之一米)级的空间分辨能力,并将时间分辨能力提高到创记录的50飞秒(1飞秒等于一千万亿分之一秒)。把美国同行保持多年的分辨率世界纪录提高了近3倍。

  利用这台装置,他们与合作者成功地实现了超快光场对量子材料维度的调控,观察到瞬态的光致新奇物态;实现了对光诱导的新型相变以及单分子成像等重要物理与化学瞬态过程的观测。这意味着,拍摄超高时间分辨率的原子电影将成为现实。

  “探索高能量密度物理世界的奥秘,最需要的是梦想。”张杰曾经在接受采访时这样说。新的物理规律和现象,总是在人类探索最极端条件下的物质状态时被发现。

  展望未来10年,张杰说,高能量密度物理研究运动速度非常高的微观物体运动规律,它涉及量子力学和相对论物理等交叉学科应用的很多挑战。狭义相对论适用于速度非常高的物体,而量子力学适用范围则是温度极低、运动速度很小的微观物体。因此,以集体效应为主的高能量密度状态为我们发现新物理规律提供了可能。

  高能量密度物理前沿突破还要依赖于超短超强激光技术的发展。我们预计,未来10年里,超短超强激光的聚焦功率密度将有可能提高到1021~1023瓦每平方厘米。在这样的光强下,未来10年的核心科学问题将是以量子电动力学效应为核心的超相对论高能量密度物理。

  未来科学大奖目前设置“生命科学”、“物质科学”和“数学与计算机科学”三大奖项。袁国勇、裴伟士获得今年的未来科学大奖“生命科学奖”,施敏获得“数学与计算机科学奖”。

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