上海光機(jī)所在超強(qiáng)超短激光脈沖精密調(diào)控等離子體實(shí)現(xiàn)亞相對論無碰撞激波研究方面取得重要進(jìn)展

近日，中國科學(xué)院上海光機(jī)所超強(qiáng)激光科學(xué)與技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李儒新院士和田野研究員團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)了基于超強(qiáng)超短激光精密調(diào)控等離子體的亞相對論量級無碰撞激波，激波速度達(dá)到0.03倍光速（約107m/s）。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用納秒時(shí)域雙脈沖強(qiáng)度參數(shù)的精密調(diào)控方法，利用該時(shí)域結(jié)構(gòu)型脈沖驅(qū)動(dòng)等離子體，發(fā)現(xiàn)了自組織強(qiáng)磁場（最高值5000T）介導(dǎo)產(chǎn)生了亞相對論無碰撞激波，在受控條件下復(fù)現(xiàn)了激波速度相當(dāng)?shù)你y河系最年輕超新星遺跡SNR G1.9+0.3的極端物理環(huán)境。相關(guān)工作以“Observation of sub-relativistic collisionless shock generation and breakout dynamics”為題，4月28日發(fā)表在國際期刊《自然通訊》雜志。相對論無碰撞沖擊波是當(dāng)沖擊波傳播速度接近光速，且粒子間碰撞頻率極低時(shí)形成的極端物理現(xiàn)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(jī)制完成。這類沖擊波廣泛存在于宇宙高能現(xiàn)象中，同時(shí)也是實(shí)驗(yàn)室高能物理的前沿研究對象。例如引力波（如LIGO探測的中子星并合事件）與電磁信號（伽馬射線、X射線）的多信使天文協(xié)同過程，可通過相對論沖擊波研究揭示能量釋放的時(shí)間延遲和譜特征。在激光聚變方案中，利用高能激光驅(qū)動(dòng)的無碰撞沖擊波的研究，是提升靶丸壓縮對稱性，增強(qiáng)聚變點(diǎn)火效率的重要途徑。此外，實(shí)驗(yàn)室生成的相對論沖擊波可模擬中子星表面或黑洞吸積盤附近的超強(qiáng)磁場與輻射場，用于測試航天器材料的極限性能。理解星際介質(zhì)中相對論沖擊波與物質(zhì)的相互作用，可優(yōu)化深空探測器防護(hù)設(shè)計(jì)，對抵御高能粒子和輻射損傷具有重要意義。超強(qiáng)激光可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部創(chuàng)造極端的物理環(huán)境，美國國家點(diǎn)火裝置[Nat. Phys. 16, 916–920 (2020)]，羅切斯特大學(xué)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(fā)無碰撞激波的可能性，激波速度普遍在104~106m/s量級。與相對論速度還有多個(gè)量級差異，相應(yīng)領(lǐng)域亟待原理上探索演示。上海光機(jī)所團(tuán)隊(duì)于2020年建設(shè)完成了上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置（又名“羲和”激光裝置），利用超強(qiáng)超短激光在多參數(shù)空間維度來探索相對論量級無碰撞激波的產(chǎn)生成為了可能。 !IxO''4