通过将激光脉冲压缩至千万亿分之一秒量级，物理学家能够产生瞬时功率相当于100万座核电站总和的超强脉冲。这种拍瓦级激光器使科学家能够以新的方式操控材料、模拟行星内部条件甚至分裂原子。如今，加速器物理学家实现了这一壮举，产生了具有惊人应用潜力的拍瓦级电子脉冲。
“我们将大量电荷压缩至极短脉冲持续时间，创造了有史以来最高电流、最高峰值功率的电子束。”美国SLAC国家加速器实验室的加速器物理学家、该研究负责人Claudio Emma说。电子脉冲持续时间仅千万亿分之一秒，却能携带10万安培电流，相关研究成果发表于《物理评论快报》。
加速器物理学家克Claudio Emma（左）与同事在调试关键激光系统。图片来源：JACQUELINE RAMSEYER ORRELL/SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY
“这是一项超酷的实验。”未参与该研究的美国布鲁克海文国家实验室的加速器物理学家Sergei Nagaitsev说。“若实现更高强度束流，或将完成从真空中撕裂粒子等非凡壮举。”英国牛津大学等离子体加速器物理学家Richard D’Arcy补充说。
将高能电子比作赛车有助于理解该技术原理——尽管这种比较并不十分准确。虽然高能电子与低能电子几乎以相同的速度运动（均接近光速的99.99%），但正如赛车通过弯道时会转向，电子在磁场中也会发生偏转。与一辆高速赛车必须在拐弯时走一条更直路线一样，一个能量更高的电子也在磁场中的运动轨迹也必须走得更直。
Emma和同事巧妙结合了这两种效应。他们首先在SLAC已有62年历史的直线加速器中产生了1毫米长电子束。电子通过真空腔室内的无线电波获得加速的能量：由于前面的电子处于波形的较平缓区段，其获得能量低于后面的电子，所以形成了所谓的“啁啾”能量分布。
这种啁啾结构为电子束压缩提供可能。为做到这一点，研究人员使用名为“减速弯”的标准工具，通过一系列磁铁将电子束发射出去。4组磁铁使电子束向左、右、右、左快速偏转，然后回到原轨迹。低能电子因偏转幅度更大、路径更长，使得后方高能电子得以追赶，实现从前到后压缩电子束。
但一个标准的“减速弯”不能产生超短脉冲。Emma解释，如果物理学家仅依赖加速器自然产生的相对温和的啁啾，那么旋转将会非常剧烈，以至于电子会辐射能量，而光束会变得模糊。
为此，SLAC的研究人员改变了计划。当电子束从第一个加速器部分出来后，它通过了一个叫做波动器的特殊磁铁。在磁铁内部，研究人员用低能量激光脉冲使束重叠。这种波动迫使电子向侧面摆动，从而使它们能够与光交换能量。通过调制激光脉冲形态，研究人员在电子束中间增加一个额外的、更显著的啁啾结构。
随后，电子束经过3段交替设置的加速段与曲折段，经历加速-压缩循环。当激光脉冲被精心调整以匹配随后的操作时，额外的啁啾最终在束流中部产生仅0.3微米长的超强电子脉冲。
意大利国家核物理研究所的加速器物理学家Massimo Ferrario指出，这种反复的加速-压缩循环是维持短脉冲的关键，“否则同性电荷斥力会立即将其撕裂”。
Nagaitsev表示，采用更短、更强的电子束可显著提升亮度，将为探测化学过程开辟道路。此外，超强电子脉冲还能模拟天体物理中的等离子体现象，例如某些星体爆炸产生的接近光速的喷流，研究人员只需要将电子束射向正确的目标。
有一天，超强电子束甚至可能探测到真空的本质。D’Arcy指出，它们会产生超强电场，如果其中一个与超强激光脉冲碰撞，激光脉冲也会产生超强电场，就会使空间暴露在非常强的电极化中。如果这个电场足够强大，可能会将粒子-反粒子对从真空中撕裂出来，这是量子物理学预测但从未观察到的一种现象。
尽管实现这一目标尚需时日，但若将电子脉冲缩短10倍，研究人员或将接近该目标。Emma和同事计划用等离子体单元替代激光器，构建更复杂的啁啾调制方案。“我们已实现了10万安培束流，下一步将冲击百万安培级。”
相关论文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.085001
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