近日，中國科學院上海光機所超強激光科學與(yu) 技術全國重點實驗室李儒新院士和田野研究員團隊，實現了基於(yu) 超強超短激光精密調控等離子體(ti) 的亞(ya) 相對論量級無碰撞激波，激波速度達到光速的3%（約10⁷ m/s）。

團隊創新性地采用納秒時域雙脈衝(chong) 強度參數的精密調控方法，利用該時域結構型脈衝(chong) 驅動等離子體(ti) ，發現了自組織強磁場（最高值5000T）介導產(chan) 生了亞(ya) 相對論無碰撞激波，在受控條件下複現了激波速度相當的銀河係最年輕超新星遺跡SNR G1.9+0.3的極端物理環境。相關(guan) 工作以“Observation of sub-relativistic collisionless shock generation and breakout dynamics”為(wei) 題，4月28日發表在國際期刊《自然通訊》雜誌。

       相對論無碰撞衝(chong) 擊波是當衝(chong) 擊波傳(chuan) 播速度接近光速，且粒子間碰撞頻率極低時形成的極端物理現象。其能量耗散和粒子加速主要通過電磁場湍流、波-粒相互作用等非碰撞機製完成。這類衝(chong) 擊波廣泛存在於(yu) 宇宙高能現象中，同時也是實驗室高能物理的前沿研究對象。例如引力波（如LIGO探測的中子星並合事件）與(yu) 電磁信號（伽馬射線、X射線）的多信使天文協同過程，可通過相對論衝(chong) 擊波研究揭示能量釋放的時間延遲和譜特征。在激光聚變方案中，利用高能激光驅動的無碰撞衝(chong) 擊波的研究，是提升靶丸壓縮對稱性，增強聚變點火效率的重要途徑。此外，實驗室生成的相對論衝(chong) 擊波可模擬中子星表麵或黑洞吸積盤附近的超強磁場與(yu) 輻射場，用於(yu) 測試航天器材料的極限性能。理解星際介質中相對論衝(chong) 擊波與(yu) 物質的相互作用，可優(you) 化深空探測器防護設計，對抵禦高能粒子和輻射損傷(shang) 具有重要意義(yi) 。

       超強激光可在實驗室內(nei) 部創造極端的物理環境，美國國家點火裝置[Nat. Phys. 16, 916–920 (2020)]，羅切斯特大學OMEGA[Nat. Phys. 11, 173–176 (2015)]等激光裝置上開展研究探索通過高能激光激發無碰撞激波的可能性，激波速度普遍在10⁴~10⁶ m/s量級。與(yu) 相對論速度還有多個(ge) 量級差異，相應領域亟待原理上探索演示。上海光機所團隊於(yu) 2020年建設完成了上海超強超短激光實驗裝置（又名“羲和”激光裝置），利用超強超短激光在多參數空間維度來探索相對論量級無碰撞激波的產(chan) 生成為(wei) 了可能。

超強超短激光時域脈衝(chong) 調控實現近相對論無碰撞激波示意圖

       2023年基金委“超強激光物理基礎科學中心”項目啟動，基於(yu) “羲和”激光裝置集群，團隊對前沿基礎科學多個(ge) 目標陸續展開研究。團隊在前期發展了超快磁光探測方法診斷技術研究自組織強磁場的演化[Phys. Rev. Lett. 121, 255002 (2018)]。在本工作中研究團隊提出采用雙脈衝(chong) 強激光組合序列來激發固體(ti) 產(chan) 生的膨脹等離子體(ti) ，其中先導脈衝(chong) 製熱靶材形成“星係介質環境”，第二束主脈衝(chong) 激發“離子流自組織過程”，研究發現當係統中離子誘導的自組織強磁場進入迅速增長階段時（最高強度達到了5000 T），強磁場中的離子在被散射、減速的過程中實現了磁場主導的無碰撞激波，激波速度達到光速的3%（約10⁷ m/s），和銀河係最重要超新星之一（SNR G1.9+0.3）的激波速度相當。工作被同期刊印的同行評價(jia) 為(wei) “這是等離子體(ti) 科學和工程領域的重大突破”，“這一現象與(yu) 眾(zhong) 多天體(ti) 物理學係統密切相關(guan) ，包括伽馬射線暴、超新星爆發、千新星、坍縮星以及可能的中子星合並事件。研究結果極具說服力、創新性和關(guan) 鍵性。”

       研究實現了對稠密等離子體(ti) 複雜動力學過程的精密控製，首次在實驗室中複現了超新星遺跡激波的高能物理條件。這種磁場強度遠超常規實驗室水平，接近中子星表麵或超新星激波前沿的極端磁場環境。通過產(chan) 生與(yu) SNR G1.9+0.3相當的激波速度，為(wei) 解釋超新星遺跡中自組織強磁場主導的無碰撞激波的起源提供了實驗依據。為(wei) 未來基於(yu) “羲和”激光裝置研究更複雜的天體(ti) 現象如伽馬射線暴噴流、黑洞吸積盤、暗物質湮滅信號等多尺度物理過程提供了技術藍圖，有望開辟“實驗室天體(ti) 物理學”的新範式，推動強激光物理、等離子體(ti) 物理和宇宙物理等領域的深度融合。

       中國科學院上海光機所白亞(ya) 鋒副研究員為(wei) 論文第一作者，李儒新院士和田野研究員為(wei) 共同通訊作者，相關(guan) 工作得到國家自然科學基金委基礎科學中心、國家傑出青年科學基金、中國科學院基礎研究青年團隊項目、中國科學院戰略性先導科技專(zhuan) 項（B類）以及基礎研究特區計劃（中國科學院上海分院）等支持。