作者:张静 来源:澎湃新闻 发布时间:2021/10/4 9:03:58
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专访|张杰院士:追逐激光,从“人造太阳”到微观世界探索

 

激光,是人类最伟大的发明之一,被认为是“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。这道光焦点下的微观物质世界,如此令人着迷,让张杰研究了30多年。

2021年的未来科学大奖如约而至,其中的物质科学奖颁给了上海交通大学/中科院物理所张杰院士,奖励他与其团队通过调控激光与物质相互作用,产生精确可控的超短脉冲高能电子束,并将其应用于激光核聚变的快点火研究和实现超高时空分辨高能电子衍射成像。

何为激光核聚变的快点火研究?超高时空分辨高能电子衍射成像意味着什么?日前,张杰从繁忙的科研工作中专门抽出时间,接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)专访,解读获奖成果的科学意义,并对年轻科研人员的未来发展提出建议。

张杰说,物理学家喜欢探索的科学问题有两类,第一类是人类社会发展中遇到的瓶颈性难题,比如当前人类社会发展迫切需要解决的最大难题—终极能源问题,第二类是自然界中最难以理解的奥秘,比如微观世界的结构与功能。

激光具有极好的方向性、相干性和偏振等特点,因此,激光和物质相互作用可以产生精确可控的超短脉冲高能电子束。一方面,高能电子束可以将其携带的能量精准地输运到预先压缩的聚变燃料中,实现快速加热,引发核聚变反应。核聚变能由于其燃料来自海水、效率是化石能源的千万倍、没有长期的核废料、没有碳排放等特点,因此被视为未来社会的“终极能源”。

另一方面,超短脉冲高能电子束也可以作为极其敏感的探针,为探测微观世界的超快动力学过程,提供超高时空分辨的研究手段。张杰团队研制的高能电子衍射与成像装置达到了亚埃级的超高空间分辨能力和50飞秒的超高时间分辨能力。

1飞秒等于1000万亿分之一秒,在张杰团队之前,时间分辨能力的国际最好水平是150飞秒。“微观物质世界有不少重要的超快过程的时间尺度恰巧在100飞秒左右,所以当我们的装置达到50飞秒的时间分辨能力时,就使人类第一次具有了直接观察微观世界这些超快过程的能力了。”张杰打了个比方,就像对高速运动物体的摄影,只有相机“快门”的速度比运动速度更快,才可以清晰成像。

从上世纪九十年代以来,对激光焦点下微观世界前沿的不断探索与发现,让张杰着迷了30多年。9月12日,在接到未来科学大奖物质科学奖获奖通知的那一刻,他正在与团队成员一起开会,对刚结束的夏季实验进行总结。

“我不太赞成将学习和科学研究比喻作‘学海无涯苦做舟’的苦行僧文化。科学探索的根本驱动力是人类的好奇心,这是人类长期以来得以进化的本能之一,因此,学习和科学探索的过程其实是非常快乐的。我们一定要学会享受学习和科学探索过程本身带来的快乐。”对于年轻科研人员和学生,张杰给出了他的建议。

很多时候,我们过分强调了科学研究的枯燥,其实探索自然界奥秘的好奇心和解决难题的满足感是对科学家探索最大的激励。“我们科学探索的回报就是发现的乐趣和好奇心的满足,我们认为这要比美食、游戏或其它娱乐活动所产生的多巴胺要强得多。”张杰开玩笑说。

实验室里的“人造太阳”:可控核聚变的两条研究路都走到了门槛

太阳和许多恒星的内部温度高达千万摄氏度以上,每时每刻都在发生着剧烈的核聚变反应。张杰介绍,太阳每秒放出的能量约为3.9×10^26焦耳,虽然到达地球表面的仅为太阳每秒释放能量的10亿分之一,但这也是巨大的能量,正是这个能量,才使得地球上的一切生命活动成为可能。

核聚变反应是宇宙中的普遍现象,它是恒星(例如太阳)的能量来源。核聚变能也是全世界能源发展的前沿方向,如果人类可以掌控这种能量,就能摆脱目前地球的能源与环境危机的困扰。

可控核聚变所需要的原料是氢元素中的两个同位素氘和氚。氘可从海水中提取,氚可以由地球上储量非常丰富的锂生成。据估测,1升海水中提取出的氘若完全参与聚变反应,放出的能量相当于300升汽油燃烧释放的能量。而氚又名超重氢,半衰期12年,它与氘之间的聚变反应相对起来最容易。

张杰介绍,一立方公里海水所含的氘经过聚变反应产生的能量就相当于地球上所有石油储备产生的总能量,因此聚变能源的开发,将“一劳永逸”地解决人类的能源需要。但人类若想要在地球上成功实现受控热核聚变反应,从而获得巨大能量,就必须创造以下三个必要条件。

一是极高的温度,以使氘氚燃料成为超过1亿摄氏度的热等离子体;二是极高的密度,以使氘氚原子核发生量子隧穿的概率变大,而且便于将聚变产生的阿尔法粒子能量留下来继续参与核聚变反应;三是等离子体在有限的空间里被约束足够长时间。

到目前为止,人类对受控核聚变的研究主要分为两类。一是磁约束核聚变,典型的实验装置如中科院合肥物质科学研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)和法国的ITER实验装置。

二是激光核聚变,典型实验装置如我国的神光激光装置和美国的国家点火装置(NIF)。占地面积有三个足球场那么大的NIF采用传统的中心点火激光核聚变方案。NIF从2010年开始正式的点火实验,在今年8月8日的一个发次中已经接近核聚变反应输出能量与输入能量的平衡点。

激光核聚变由燃料压缩和加热两个阶段组成。张杰告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn),传统的中心点火激光核聚变方案需要使用巨大能量的激光装置对氘氚燃料进行同步的压缩和点火,而同步进行的压缩和点火过程会涉及极其复杂的非线性物理过程。他认为这种方案可以作为受控激光核聚变过程的研究方案,但是由于效率不高,未来真正作为核聚变能量的产生,还需要探索其它点火方案。

除美国之外,世界上还有其它不同的激光聚变点火方案正在研究之中。比如张杰团队目前正在探索另一种点火方案,采用特殊设计的激光波形与靶构型,将压缩过程与点火过程分离,并通过精确调控的超短脉冲高能电子束对压缩后的燃料进行快速点火,降低物理上的不稳定性,同时提高激光能量到点火能量的效率。

其中对超短脉冲高能电子束的精确调控是点火的关键。自上世纪九十年代以来,张杰团队经过大量的实验与理论的研究,实现了对高能电子束发射方向与能量的精确调控,并实现了表面自生电磁场对高能电子束的引导和聚焦。

“我们的激光聚变实验研究主要是使用中科院上海光机所的神光二号激光装置,目前我们的方案已经完成了6轮实验,并取得了不小的进展。”

神光二号升级激光装置是我国自主研制的大型激光装置。张杰对澎湃新闻(www.thepaper.cn)表示,接下来团队还会在神光二号激光装置进一步升级的同时,再做12轮实验,他们的目标是在2026年验证阿尔法粒子的自加热,为快点火方案的实现提供坚实的实验基础。

核聚变两大产物之一是阿尔法粒子,“每个阿尔法粒子带有3.5MeV(兆电子伏)能量,在实验中我们会想办法把这个能量留下来,以便继续加热氘氚等离子体,实现自持燃烧。“

“人类为磁约束核聚变和激光核聚变反应点火的实现,已经努力数十年的时间。”张杰说,如今这两种核聚变的研究道路都“走到了门槛”:核聚变输出的能量和输入的能量达到平衡点,下一步要朝输出能量大于输入能量百倍的里程碑目标继续努力。

当聚变反应的输出能量大于输入能量百倍时就可以探索建立商用电站了。如果聚变能源能够早日实现,将是人类社会可持续发展的根本保证。“有一种说法认为我们做核聚变的人永远说实现聚变还有50年,但我觉得这一次我们的时间不会再往后推了,因为我们真的已经来到了门槛。”张杰说。

超短脉冲电子衍射与成像:进入50飞秒的超快“亚埃”原子世界

物理科学家主要探索两类问题,第一类是制约人类社会进一步发展的瓶颈性难题,第二类则是自然界中最难以理解的奥秘,比如微观世界的结构与功能。

如果说上个世纪主要的科学发现大都与物质微观世界的空间结构有关,在这个世纪,人类更希望在了解物质微观结构的基础上,深入理解物质微观世界的功能,也就是物质微观结构随时间快速变化的动力学过程,这就需要同时具有超高的空间分辨能力与超高的时间分辨能力。

电子显微镜具有超高的空间分辨能力,但是没有超高的时间分辨能力,因此只能探测静态的物质微观世界的空间结构。

“任何物质的原子其实在不停地快速运动,所以对微观时间中原子的观察,就需要在超高空间分辨能力的基础上再加上超高的时间分辨能力。我们做的事情就是把电子显微技术的超高空间分辨能力与超快光学技术中超高的时间分辨能力结合在一起,这样就可以研究以前我们认为是静止的,但其实在时间上一直在演化的微观世界的超快动力学过程。”张杰告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn)。

他们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级的空间分辨能力。埃是长度单位,1埃等于百亿分之一米,而亚埃则是比埃更小的尺度。他们还将装置的时间分辨能力提高到创纪录的50飞秒,而1飞秒等于1000万亿分之一秒,此前国际最好水平是150飞秒。

“微观物质世界中的许多超快物理与化学过程都发生在100飞秒左右的时间尺度,所以当我们的装置同时具有了亚埃级的空间分辨能力和50飞秒的时间分辨能力,就意味着只有我们可以在原子尺度上看清楚这些超快的动力学过程。”张杰打了个比方,就像对高速运动物体的摄影,不管运动速度有多快,只要相机快门的速度更快,就可以清晰成像。

利用这台装置,张杰团队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超快过程的首次观测。

“在对微观物质世界的超快动力学过程观察方面,人类的梦想之一就是希望能够制作单分子运动的电影。”比如,尽管我们可以写出二氧化碳分子的化学公式,但却没有直接观察过二氧化碳单分子究竟长什么模样、二氧化碳分子如何运动。

张杰说,物理学家的责任就是直接看到单分子图像,并将单分子运动的图像拍摄下来,以便深入研究。“我们先用一串飞秒激光脉冲将二氧化碳分子排好队,接下来用超短脉冲高能电子束观察排好队的二氧化碳分子,就可以把二氧化碳分子在不同时刻的位置和结构全看清楚了,然后将不同时刻的图像排列起来,就可以形成单分子电影了。”

对于未来,在超高时空分辨的电子衍射和成像方面,张杰说,团队的下一个努力目标是达到1飞秒量级的时间分辨能力,这将是又一个非常重要门槛。50飞秒的时间分辨能力可以让我们看清楚原子的运动过程,如果实现1飞秒量级的时间分辨能力,人类能看到电子的运动过程,从而对物质微观结构和功能的了解产生重要突破。

“物理学家的责任,不但是要看得见,还需要获得关于单分子如何组成,为什么会这样运动的规律性认识。”此时的张杰,眼中闪烁着兴奋。

 
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