在實驗室中生產(chan) 高密度、相對論性的電子-正電子對等離子體(ti) 可以顯著加深對脈衝(chong) 星和類星體(ti) 等外來天體(ti) 物體(ti) 的理解，但這極具挑戰性。隨著高強度激光技術的發展，幾種產(chan) 生方法已經被證明或被提出，在不同的激光強度範圍內(nei) ，不同的機理支配著物理學。例如，Schwinger機製需要極高的強度，高於(yu) 約10*29W / cm，才能從(cong) 真空中自發形成一對，而Breit-Wheeler(BW)機製對於(yu) 雪崩型放電則需要約10*24W / cm. 這些強度遠遠超出了最先進的激光器的能力（高達10 W / cm）。

另一種方法是將激光產(chan) 生的高能電子注入到高Z靶材料中，原子核的靜電場參與(yu) 成對產(chan) 生過程，從(cong) 而釋放了對激光電場強度的約束。如果使用厚的轉換靶，則正電子主要通過三步Bethe-Heitler（BH）過程產(chan) 生。首先，相對論電子通過靶正麵的激光等離子體(ti) 相互作用(laser plasma interaction, LPI)產(chan) 生。這些電子然後通過高Z靶材料傳(chuan) 輸並通過Bre致輻射產(chan) 生高能光子。然後，高能光子在原子核場中的傳(chuan) 播會(hui) 產(chan) 生電子-正電子對。關(guan) 鍵步驟是將激光能量轉換為(wei) 足夠的高能量電子，為(wei) 此，僅(jin) 需要中等強度的激光（10 W / cm）。使用這種類型的裝置進行的實驗最多可產(chan) 生10對/發射，這是迄今為(wei) 止使用激光報道的最高產(chan) 量。

研究人員在本文中通過實驗證明了使用靶結構在產(chan) 生的正電子的產(chan) 率和能量上都有實質性的提高，這提出了一種改進正電子源的有效而廉價(jia) 的方法。用代碼Chicago進行的單元內(nei) 粒子(Particle-in-cell, PIC)模擬已用於(yu) 解釋實驗結果，並允許直接模擬LPI對正電子產(chan) 率的影響。而且，仿真結果與(yu) 實驗數據吻合良好。

實驗裝置的示意圖如圖1(a)所示。用OMEGA EP激光脈衝(chong) 輻照結構化的靶標，該激光脈衝(chong) 的波長為(wei) 1.053μm，能量為(wei) 500μJ，脈衝(chong) 長度約為(wei) 700 fs。80％的激光能量被封裝在直徑為(wei) 35μm的焦點中，這是由即時波前和遠場測量得出的。根據測得的注量圖，峰強度估計為(wei) 4.5××10 W / cm。在實驗之前，通過熱電子溫度的PIC模擬對結構的幾何形狀（間距和長度）進行了優(you) 化。這種幾何結構（我們(men) 稱為(wei) 結構1）是直徑為(wei) 3μm，長度為(wei) 13μm，中心距為(wei) 15μm的矽微線陣列。

作為(wei) 參考，我們(men) 還拍攝了平坦的目標以及另一種未優(you) 化的結構（結構2），該結構在模擬中顯示出對電子能量的有害影響。結構2的直徑為(wei) 3μm，長度為(wei) 100μm，中心距為(wei) 7μm。後一個(ge) 目標中的微絲(si) 的長度比激光的聚焦深度長得多，並且它們(men) 之間的間距比激光焦點的尺寸小得多，因此它們(men) 在傳(chuan) 播過程中往往會(hui) 破壞激光脈衝(chong) ，從(cong) 而導致激光質量差臨(lin) 界密度表麵的強度。因此，它們(men) 導致了低能電子光譜。

▲圖1. (a) 實驗裝置的示意圖。(b) 預先優(you) 化的目標結構1的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。(c) 未優(you) 化的結構2的SEM圖像。

圖1(b) 和 (c) 顯示了實驗中使用的兩(liang) 種靶結構的掃描電子顯微鏡圖像。首先通過汽-液-固生長法在矽111晶圓上生長高度為(wei) 100μm的矽微線陣列（結構2），而從(cong) 矽100晶圓上蝕刻出較短的微線陣列（結構1）然後通過深度反應離子刻蝕將微絲(si) 嵌入約30μm厚的聚二甲基矽氧烷層中，並從(cong) 基材上剝離下來。然後將此薄的二甲基矽氧烷層膠合到1 amm厚的Au背襯層。在這種情況下，由表麵結構生成和引導的高能電子將通過厚的高Z靶材料（Au）傳(chuan) 輸並誘導成對產(chan) 生。實驗中使用的金塊的橫向尺寸也為(wei) 1 mm。激光以法線入射方向對準目標，微線陣列沿激光方向定向。在先前的工作中已經證明了這種配置可以最大程度地增強電子能量。通過電子/正電子能譜儀(yi) 沿著激光方向在靶背麵測量了正電子光譜。

在以前的研究中使用微小的金礦樣品製造了約1000億(yi) 個(ge) 反物質顆粒。而該實驗將其翻倍了。這些成功的實驗結果對於(yu) Livermore正電子項目很重要，該項目的主要目標是製造足夠的電子-正電子反物質來研究伽馬射線爆發的物理學。該項目的負責人Hui Chen表示，“我們(men) 發現實驗還創建了可以穿透非常密集的物體(ti) 的高能量（MeV）X射線背光燈，這對於(yu) 高能量密度科學的許多方麵都很重要。”

當在高能粒子碰撞期間（例如在高能粒子碰撞期間）將足夠的能量壓縮到一個(ge) 很小的空間中時，會(hui) 自動生成粒子對-反粒子對。當能量轉化為(wei) 質量時，物質和反物質的產(chan) 生量相等。在這些實驗中，強烈的激光-等離子體(ti) 相互作用產(chan) 生了非常高的能量電子，其能量與(yu) 金靶相互作用時可以產(chan) 生電子-正電子對。

研究人員使用先前的結果和新的模擬來設計微結構，這些微結構可以增強或減小這種相互作用，從(cong) 而導致相對於(yu) 現有技術增強或抑製正電子的產(chan) 生。該實驗合著者Anthony link表示：“仿真與(yu) 實驗之間的協議非常出色，使我們(men) 充滿信心，我們(men) 正在捕捉最重要的物理機製。”

在小型實驗室中產(chan) 生大量正電子的能力為(wei) 反物質研究的新途徑打開了大門，其中包括對各種天體(ti) 物理現象（如黑洞和伽馬射線爆發）以及形成致密電子的途徑的物理基礎的理解正電子等離子體(ti) 在實驗室中。

總之，該實驗證明前表麵靶結構可顯著提高正電子的產(chan) 量和能量，從(cong) 而構成了一種將激光產(chan) 生的正電子源用於(yu) 實驗室天體(ti) 物理學應用的經濟有效的方法。後續模擬解釋了由靶結構操縱的激光-等離子體(ti) 相互作用如何影響正電子的產(chan) 率和能量的整個(ge) 過程。模擬和實驗光譜之間的一致性表明，使用兩(liang) 階段PIC模擬可以進一步優(you) 化目標。

“在典型的金靶上添加前表麵微觀結構，是一種在保持相同激光條件的同時大幅提高正電子產(chan) 量的經濟有效的方法。這是朝著將激光產(chan) 生的正電子源用於(yu) 各種應用的一步。”該論文的主要作者薑勝說。

該實驗由LLNL在美國能源部的主持下進行，由LDRD、美國能源部科學辦公室和洛克希德·馬丁公司資助。此外還有加州理工學院Kavli納米科學研究所的工作人員在製造方麵的技術支持。

本文來源：S. Jiang et al. Enhancing positron production using front surface target structures, Applied Physics Letters (2021).