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，科學家夢寐以求的愿望是在地球?qū)嶒炇依?ldquo;復制”高能量密度的“宇宙”，以便探索它的奧秘。為此，從超短超強激光技術、超高時空分辨實驗診斷技術以及復雜的理論與數(shù)值模擬等三個維度進行“三位一體”研究是必須的。
中國科學院院士張杰帶領的“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”研究團隊。在連續(xù)三期國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體項目(以下簡稱創(chuàng)新群體項目)的支持下，該科研團隊在對高能量密度物理奧秘的探索中，取得了一批國際領先水平的研究成果。
基礎研究最需要夢想
上海交通大學激光等離子體教育部重點實驗室是張杰和研究團隊的大本營。在這里，“夢想”是使用頻率最高的關鍵詞。“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《中國科學報》。
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，正是張杰研究團隊的夢想。
想要在地球上產(chǎn)生極端高能量密度狀態(tài)并對其中的奧秘進行創(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空尺度，這就需要挑戰(zhàn)超短超強激光的極限，挑戰(zhàn)高時空分辨測量的極限，挑戰(zhàn)人類認知的極限。
美國羅切斯特大學的Gerard Mourou和Donna Strickland1985年發(fā)明的超短脈沖“啁啾脈沖放大”(CPA)技術將超短超強激光的輸出功率提升了100萬倍，使得在大學實驗室創(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獎。在創(chuàng)新群體項目支持下，錢列加教授等群體成員提出了“準參量啁啾脈沖放大”(QPCPA)的新方案，打破CPA技術的放大極限，將超短超強激光的放大能力又提高了10倍，創(chuàng)造了新的世界紀錄，有望將單束超短超強激光推進到前所未有的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〉弥匾黄啤Ｋ麄儗⒓铀倨黝I域的雙偏轉(zhuǎn)消色差技術與激光領域啁啾脈沖放大壓縮技術結(jié)合，將超快電子衍射的時間分辨率提高到優(yōu)于50飛秒，把美國同行保持多年的分辨率世界紀錄提高了近3倍。這意味著，拍攝超高時間分辨率的原子電影將成為現(xiàn)實。
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聯(lián)方案，有望大幅提升級聯(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實驗平臺上的研究揭示了全新的磁重聯(lián)特征，驗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，解釋了相對論強激光與固體靶作用中的超強磁場以及湍流產(chǎn)生。這些研究為利用強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，才能不斷發(fā)現(xiàn)高能量密度‘宇宙’中的新奧秘。”
服務國家戰(zhàn)略需求
攀登科學高峰的同時，科研團隊牢記服務國家戰(zhàn)略需求的使命。在創(chuàng)新群體項目支持下，科研團隊將多個研究成果轉(zhuǎn)化應用于國家科技重大專項任務等國家戰(zhàn)略需求。
歷經(jīng)9年，貫穿整個創(chuàng)新群體項目的三期研究，錢列加教授等研制的創(chuàng)新儀器“強激光脈沖超高對比度單次測量儀”從設計構(gòu)思、基礎研究、技術發(fā)明成功走向工程應用。
用于探索極端高能量密度物理現(xiàn)象的超短超強激光不僅需要具有高達相對論光強的脈沖峰值，而且還要求背景光噪聲低至單光子水平，兩者的對比度反差超過10個數(shù)量級。如何僅用單個脈沖一次性測量這種超高對比度脈沖是強激光領域的世界級難題。張杰表示：“錢列加等人十年磨一劍，創(chuàng)造性地解決了這個世界級測量難題，實現(xiàn)了1013的超高對比度單發(fā)次測量能力，高于國外報道最好結(jié)果3個數(shù)量級以上。”
更令人振奮的是，這個國際上唯一實用化的超短超強激光脈沖對比度單發(fā)次測量裝置，已經(jīng)應用于我國擁有的全部超短超強激光裝置，為我國戰(zhàn)略科技作出了不可或缺的貢獻。
此外，“MeV能量超快電子診斷系統(tǒng)”也已應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驗證據(jù)。
“接力”培養(yǎng)“三劍客”人才
在連續(xù)三期創(chuàng)新群體項目結(jié)題時，張杰發(fā)現(xiàn)一個有意思的現(xiàn)象。“我們?nèi)后w成員的平均年齡并沒有增加9歲，而是與項目申請時差不多。”原因就在于，研究團隊不斷吸納年輕人才加入。創(chuàng)新群體項目不僅為他們從事基礎研究提供了寬松條件與創(chuàng)新環(huán)境，更使研究團隊的人才梯隊建設成為可能。
“人才是頭等大事。”張杰強調(diào)。
2011年9月29日，張杰前往美國勞倫斯伯克利國家實驗室和加州大學伯克利分校邀請科研成績突出的青年科學家陳民加入團隊。“我向他講了國家對基礎研究的重視，我們的前沿探索急需優(yōu)秀人才。”張杰一邊對陳民說，腦海里一邊浮現(xiàn)出多年前的一個類似場景。
時間倒回到1997年，張杰還在英國盧瑟福實驗室工作時，就已經(jīng)是高能量密度物理研究領域知名的青年學者。當時的國家自然科學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，他的話深深打動了我。”張杰向《中國科學報》回憶道。
在國家自然科學基金委“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)第一臺太瓦級飛秒激光裝置和第一批實驗診斷設備，并取得了一系列成果，得到了國際學術界的認可。“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“三位一體”研究團隊中的“三劍客”，引進和培養(yǎng)了一代又一代的“三劍客”，關心他們的生活、工作，引導他們將個人夢想規(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。除了對研究生的系統(tǒng)培養(yǎng)外，張杰團隊還專門在上海交通大學致遠學院為本科大三學生開設思維訓練課程。為上好這門課，張杰“集齊”了群體成員，以激光聚變的實際研究內(nèi)容為場景，以超高的師生比例，手把手培養(yǎng)學生主動探究科研前沿、創(chuàng)造新知識的思維方法。
“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，讓他們真正學會研究型的學習方法，成為未來的創(chuàng)新型領軍人才。”張杰指出。
對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”奧秘的鑰匙終會被發(fā)現(xiàn)。
《中國科學報》：如何產(chǎn)生高能量密度物理狀態(tài)?
張杰：用一個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，也就是大約1百萬大氣壓的壓強下所對應的高能量密度。激光技術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展的原因主要得益于雷達中的啁啾脈沖放大(CPA)技術引入到了激光領域，使激光強度在14年的時間內(nèi)提高了100萬倍。而我們團隊成員錢列加教授等人在此基礎上，將超短超強激光的放大能力又提高了10倍，這才使在我們實驗室產(chǎn)生極端高能量密度狀態(tài)成為可能。
《中國科學報》：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、超高的時空分辨實驗診斷技術以及超短超強激光技術三個方面緊密結(jié)合。以我們創(chuàng)新群體項目為例，在理論和數(shù)值模擬提出新的概念和方向后，將激光技術和實驗診斷結(jié)合在一起創(chuàng)造條件去驗證，然后，從實驗結(jié)果中進一步發(fā)現(xiàn)新的物理規(guī)律，預言新的實驗結(jié)果。這樣的過程反復進行，才能推動我們對高能量密度物理過程“螺旋式”上升的認識。
《中國科學報》：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動速度非常高的微觀物體運動規(guī)律，它涉及量子力學和相對論物理等交叉學科應用的很多挑戰(zhàn)。狹義相對論適用于速度非常高的物體，而量子力學適用范圍則是溫度極低、運動速度很小的微觀物體。因此，以集體效應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激光技術的發(fā)展。我們預計，未來10年里，超短超強激光的聚焦功率密度將有可能提高到1021~1023瓦每平方厘米。在這樣的光強下，未來10年的核心科學問題將是以量子電動力學效應為核心的超相對論高能量密度物理。我真誠地邀請更多年輕科研工作者抓住機遇，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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