作者:黄辛 高璐 来源:中国科学报 发布时间:2021/11/21 15:48:40
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张杰院士:强激光焦点下的奥秘

张杰在作学术报告。上海交通大学供图

11月21日,2021未来科学大奖颁奖典礼举行。上海交通大学讲席教授、中科院物理所研究员张杰院士获颁未来科学大奖-“物质科学奖”,以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。

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。

张杰近日在未来科学大奖与上海交通大学联合举行的学术报告会上,作了题为“极端条件下的物质世界与超高时空分辨观测”演讲,他从超强激光技术发展、高能粒子加速、超快电子衍射以及激光核聚变四个方面回顾了他领导的团队在过去20年时间的科研进展。通过把强激光焦点下形成的高能量密度物质状态和日常生活、宇宙天体中的物理参数相比较,让听众享受了高能量密度物理这一神奇领域的饕餮盛宴。

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,比如微观物质世界的结构与功能。

张杰在接受《中国科学报》专访时说,激光具有极好的方向性、相干性和偏振等特点,因此,超短超强激光脉冲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,这样的高能电子束可以用于高能量密度环境下输运能量和超高时空分辨探测两个方面。在第一个方面,超短脉冲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,实现快速加热并引发核聚变反应。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超高时空分辨的探针,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。

“人类认识微观世界的超快过程需要不断提高观测仪器的时间和空间分辨能力。”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。”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。

“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乐趣。”为了进行快点火激光聚变和高能量密度物理前沿研究,张杰经历了不一般的艰难困苦,但几十年来,他甘之如饴,始终如一。

上海交通大学党委书记杨振武这样评价:“张杰院士及团队在过去几十年潜心研究、集智攻关的历程,体现了新时代科学家的爱国精神、创新精神、求实精神、奉献精神。”

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3.9×1026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,就能彻底摆脱目前地球的能源与环境危机的困扰。

受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。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。

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)。占地面积有三个美式足球场那么大的NIF激光装置采用传统的中心点火激光核聚变方案。

“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引起极其复杂的非线性物理过程。”张杰表示,这种方案可以作为实现受控激光核聚变反应的研究方案,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,首先将氘氚燃料到极高的密度,然后通过精确调控皮秒拍瓦激光脉冲产生的高能电子束对压缩后的燃料进行快速加热点火,降低物理上的不稳定性,同时大幅度提高激光能量到点火能量的效率。

其中对皮秒拍瓦激光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升级激光装置,目前我们的方案已经完成了6轮验证实验,对新型激光聚变方案的分解物理过程进行逐步验证,并取得了预期的进展。”

神光二号升级激光装置是我国自主研制的大型激光装置。张杰对记者表示,接下来团队还会在神光二号激光装置进一步升级的同时,在未来的5年时间里,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,为新型激光聚变方案的验证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3.5兆电子伏能量,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“走到了核聚变反应输出能量等于输入的能量的平衡点门槛”,下一步要朝输出能量大于输入能量十倍和百倍的里程碑目标继续努力。

与此同时,经过过去十几年时间的努力,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(1埃相当于百亿分之一米),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。

利用这台装置,张杰团队与合作者成功实现了对原子尺度超快过程的观察,实现了对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。

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。如果实现1飞秒量级的时间分辨能力,人类就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。

采访结束的时候,张杰动情地说,即使在2020年初疫情非常严重、人员不能流动的情况下,实验都没有停下来。当时团队研究人员带着千方百计找到的1000只口罩,住在封闭的宾馆里,克服重重困难调试实验设备、采集实验数据,高质量地完成了实验。这段艰难的经历,已经成为张杰团队宝贵的精神财富。面向未来,张杰坚信,他们的目标一定能够实现。

 
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