強激光高能量密度物理研究獲進展

 

圖1. 不同磁場寬度下正負電子對的產(chan) 生數隨時間的變化關(guan) 係。其中W_B=1.25/c約為(wei) 電子在磁場中的回旋半徑：磁場寬度小於(yu) 回旋半徑時，粒子數持續產(chan) 生，係統為(wei) 超臨(lin) 界；磁場寬度大於(yu) 回旋半徑時，係統變為(wei) 次臨(lin) 界。

圖2. 根據總哈密頓量得到的能級分布隨磁場寬度WB變化關(guan) 係。寬度小於(yu) 回旋半徑時，正負能態交疊，能夠持續產(chan) 生電子對；寬度大於(yu) 回旋半徑時，正負能態分離並出現離散的朗道能級。

量子場論被認為(wei) 是描述最本質物理規律的學科之一。利用最基本的關(guan) 係式狄拉克方程所提出的多種預測已經被證實，並得到具有重大意義(yi) 的結果。到目前為(wei) 止，關(guan) 於(yu) 最具挑戰性且有重大價(jia) 值的一項預測的真實性驗證還仍然在探索中：光是否能夠直接轉化成物質，即強場下真空中是否能夠激發出正負粒子對。1951年諾貝爾獎得主Julian Schwinger給出了電子對在均勻穩恒電場中產(chan) 生率的表達式，這項先驅性的工作引起了人們(men) 對這項對物理基礎學科發展和應用極富挑戰性的重大科學課題的注意，並激發人們(men) 開始投入大量精力來挑戰這個(ge) 未解的難題。

超快超強激光技術的快速發展正在為(wei) 開展這項研究提供前所未有的實驗條件，使其逐漸成為(wei) 物理學的一個(ge) 新的前沿熱點。迄今為(wei) 止，人們(men) 在實驗上已經得到一些有意義(yi) 的結果，重離子對撞實驗以及美國斯坦福線型加速器上進行的46.6GeV電子束和強激光碰撞實驗，已經證實了正負電子對的產(chan) 生。但是到目前為(wei) 止，由強光場直接引起的真空擊穿和相應的正負電子對產(chan) 生過程的實驗還未能實現，主要原因是目前激光係統的最大強度雖然已經高達2×1022W/cm2，但仍不足以直接“擊穿“真空。為(wei) 了獲得更高功率的激光係統，跨國研究中心也正在建設中。我們(men) 能夠預期，在不久的將來，激光就可接近甚至達到“擊穿”真空並自發產(chan) 生正負電子對的強度，在避免其它效應的情況下對超臨(lin) 界場產(chan) 生正負粒子對的過程進行直接檢驗。如果能夠實現，將是人類首次證實光可以直接轉化成為(wei) 物質，即愛因斯坦的能質公式E=mc2, 這對於(yu) 物理學的發展和所帶來影響是不可估量的。

對於(yu) 這一重要問題，理論和數值方麵已經得到了非常有意義(yi) 的結果，但大部分工作都隻考慮了電場而並沒有考慮磁場效應。最近，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）光物理實驗室強激光高能量密度物理組與(yu) 美國伊利諾斯州立大學、中國礦業(ye) 大學和上海交通大學的合作者一起，首次研究了磁場效應對局域超臨(lin) 界電場下正負電子對產(chan) 生過程的影響。

通過運用基於(yu) 量子場論的非微擾的精確數值模擬，發現在超臨(lin) 界的電場中即使考慮強度非常小的磁場，隻要其空間寬度足夠寬，仍然可以關(guan) 閉正負電子對產(chan) 生通道，使係統變為(wei) 次臨(lin) 界，並且伴隨產(chan) 生粒子數在時間上的震蕩效應(見圖1)。一直被公認的Schwinger公式和Hund公式都無法對這種效應做出描述。通過計算係統總哈密頓量的能量本征值得出，磁場變寬的同時正負能態的上下限隨之相互遠移，當磁場寬度達到粒子在磁場中的回旋半徑的時候係統就變為(wei) 次臨(lin) 界(見圖2)，並且出現離散的朗道能級引發粒子數在時間上的震蕩效應。

上述研究結果發表在近期的物理評論快報[Phys. Rev. Lett. 109, 253202 (2012)]上。

該工作得到了國家基金委、科技部、中國科學院和美國國家基金委的資助。（來源：中科院物理研究所）