——記國家自然科學基金創新研究群體專案“高能量密度物理若干前沿問題研究”
創新群體專案成員合影，左六為張傑。
記者 甘曉
宇宙中絕大多數物質均處於高能量密度等離子體狀態，而像地球一樣存在物質固液氣三相的地方卻極其罕見。因此，科學家夢寐以求的願望是在地球實驗室裡“複製”高能量密度的“宇宙”，以便探索它的奧秘。為此，從超短超強鐳射技術、超高時空分辨實驗診斷技術以及複雜的理論與數值模擬等三個維度進行“三位一體”研究是必須的。
中國科學院院士張傑帶領的“高能量密度物理若干前沿問題研究”創新研究群體就是這樣的“三位一體”研究團隊。在連續三期國家自然科學基金創新研究群體專案（以下簡稱創新群體專案）的支援下，該科研團隊在對高能量密度物理奧秘的探索中，取得了一批國際領先水平的研究成果。
基礎研究最需要夢想
上海交通大學鐳射等離子體教育部重點實驗室是張傑和研究團隊的大本營。在這裡，“夢想”是使用頻率最高的關鍵詞。“探索高能量密度物理世界的奧秘，最需要的是夢想。”張傑告訴《中國科學報》。
新的物理規律和現象，總是在人類探索最極端條件下的物質狀態時被發現。挑戰高能量密度物理的極限、探索高能量密度“宇宙”中的奧秘，正是張傑研究團隊的夢想。
想要在地球上產生極端高能量密度狀態並對其中的奧秘進行創新研究，就必須想辦法將盡可能大的能量匯聚在極小的時空尺度，這就需要挑戰超短超強鐳射的極限，挑戰高時空分辨測量的極限，挑戰人類認知的極限。
美國羅切斯特大學的Gerard Mourou和Donna Strickland1985年發明的超短脈衝“啁啾脈衝放大”（CPA）技術將超短超強鐳射的輸出功率提升了100萬倍，使得在大學實驗室創造高能量密度物理狀態成為可能，他們也因此獲得2018年度的諾貝爾物理學獎。在創新群體專案支援下，錢列加教授等群體成員提出了“準參量啁啾脈衝放大”（QPCPA）的新方案，打破CPA技術的放大極限，將超短超強鐳射的放大能力又提高了10倍，創造了新的世界紀錄，有望將單束超短超強鐳射推進到前所未有的1017瓦的極端超高功率區域。
群體成員嚮導教授在超快電子衍射方面取得重要突破。他們將加速器領域的雙偏轉消色差技術與鐳射領域啁啾脈衝放大壓縮技術結合，將超快電子衍射的時間解析度提高到優於50飛秒，把美國同行保持多年的解析度世界紀錄提高了近3倍。這意味著，拍攝超高時間解析度的原子電影將成為現實。
在高能量密度物態下的粒子加速方面，群體成員陳民教授透過理論分析和大規模數值模擬研究，提出了一種全新的鐳射等離子體尾波加速級聯方案，有望大幅提升級聯耦合效率，為產生1011電子伏以上的高能電子束提供了可能。
在高能量密度物態演化方面，群體成員在神光II實驗平臺上的研究揭示了全新的磁重聯特徵，驗證了歐洲太空總署衛星的觀察結果。此外，群體成員盛政明教授等還研究了太陽內磁湍流，解釋了相對論強鐳射與固體靶作用中的超強磁場以及湍流產生。這些研究為利用強鐳射研究天體高能量密度狀態的演化提供了全新思路。
對於上述成果，張傑總結道：“以探索高能量密度物理過程最本質的未知為夢想，鍥而不捨地三位一體攻關，才能不斷髮現高能量密度‘宇宙’中的新奧秘。”
服務國家戰略需求
攀登科學高峰的同時，科研團隊牢記服務國家戰略需求的使命。在創新群體專案支援下，科研團隊將多個研究成果轉化應用於國家科技重大專項任務等國家戰略需求。
歷經9年，貫穿整個創新群體專案的三期研究，錢列加教授等研製的創新儀器“強鐳射脈衝超高對比度單次測量儀”從設計構思、基礎研究、技術發明成功走向工程應用。
用於探索極端高能量密度物理現象的超短超強鐳射不僅需要具有高達相對論光強的脈衝峰值，而且還要求背景光噪聲低至單光子水平，兩者的對比度反差超過10個數量級。如何僅用單個脈衝一次性測量這種超高對比度脈衝是強鐳射領域的世界級難題。張傑表示：“錢列加等人十年磨一劍，創造性地解決了這個世界級測量難題，實現了1013的超高對比度單發次測量能力，高於國外報道最好結果3個數量級以上。”
更令人振奮的是，這個國際上唯一實用化的超短超強鐳射脈衝對比度單發次測量裝置，已經應用於我國擁有的全部超短超強鐳射裝置，為我國戰略科技作出了不可或缺的貢獻。
此外，“MeV能量超快電子診斷系統”也已應用於我國鐳射聚變研究的等離子體電場測量，可為解決鐳射聚變中鐳射等離子體不穩定性的來源問題提供實驗證據。
“接力”培養“三劍客”人才
在連續三期創新群體專案結題時，張傑發現一個有意思的現象。“我們群體成員的平均年齡並沒有增加9歲，而是與專案申請時差不多。”原因就在於，研究團隊不斷吸納年輕人才加入。創新群體專案不僅為他們從事基礎研究提供了寬鬆條件與創新環境，更使研究團隊的人才梯隊建設成為可能。
“人才是頭等大事。”張傑強調。
2011年9月29日，張傑前往美國勞倫斯伯克利國家實驗室和加州大學伯克利分校邀請科研成績突出的青年科學家陳民加入團隊。“我向他講了國家對基礎研究的重視，我們的前沿探索急需優秀人才。”張傑一邊對陳民說，腦海裡一邊浮現出多年前的一個類似場景。
時間倒回到1997年，張傑還在英國盧瑟福實驗室工作時，就已經是高能量密度物理研究領域知名的青年學者。當時的國家自然科學基金委主任張存浩赴英國訪問見到張傑。“他說國家發展急需各方面的科技創新，急需青年人才，他的話深深打動了我。”張傑向《中國科學報》回憶道。
在國家自然科學基金委“委主任基金”和傑出青年基金的支援下，張傑與魏志義等同事建成了國內第一臺太瓦級飛秒鐳射裝置和第一批實驗診斷裝置，並取得了一系列成果，得到了國際學術界的認可。“現在，培養年輕人的接力棒交到了我的手裡。”他說。
張傑、錢列加、盛政明作為這個“三位一體”研究團隊中的“三劍客”，引進和培養了一代又一代的“三劍客”，關心他們的生活、工作，引導他們將個人夢想規劃在國家快速發展的大局中。
更重要的是，他們培養了一支更加年輕的生力軍。除了對研究生的系統培養外，張傑團隊還專門在上海交通大學致遠學院為本科大三學生開設思維訓練課程。為上好這門課，張傑“集齊”了群體成員，以鐳射聚變的實際研究內容為場景，以超高的師生比例，手把手培養學生主動探究科研前沿、創造新知識的思維方法。
“我們希望在課堂上把多年科研生涯形成的正確思維方式傳授給本科生，讓他們真正學會研究型的學習方法，成為未來的創新型領軍人才。”張傑指出。
對極端高能量密度物理前沿的探索仍然在繼續。張傑相信，隨著他們研究的深入，開啟高能量密度“宇宙”奧秘的鑰匙終會被發現。
《中國科學報》：如何產生高能量密度物理狀態？
張傑：用一個形象的比方來說明我們所研究的極端高能量密度狀態：相當於15艘遼寧艦摞起來，壓縮到大拇指的面積上所產生的壓強，也就是大約1百萬大氣壓的壓強下所對應的高能量密度。鐳射技術的突破為高能量密度物理的研究提供了可能。
近年來，高能量密度物理研究取得快速進展的原因主要得益於雷達中的啁啾脈衝放大（CPA）技術引入到了鐳射領域，使鐳射強度在14年的時間內提高了100萬倍。而我們團隊成員錢列加教授等人在此基礎上，將超短超強鐳射的放大能力又提高了10倍，這才使在我們實驗室產生極端高能量密度狀態成為可能。
《中國科學報》：高能量密度物理研究的基本方法是什麼？
張傑：高能量密度物理研究需要將理論和數值模擬、超高的時空分辨實驗診斷技術以及超短超強鐳射技術三個方面緊密結合。以我們創新群體專案為例，在理論和數值模擬提出新的概念和方向後，將鐳射技術和實驗診斷結合在一起創造條件去驗證，然後，從實驗結果中進一步發現新的物理規律，預言新的實驗結果。這樣的過程反覆進行，才能推動我們對高能量密度物理過程“螺旋式”上升的認識。
《中國科學報》：根據您的判斷，未來10年，高能量密度物理研究的發展方向是什麼？
張傑：高能量密度物理研究運動速度非常高的微觀物體運動規律，它涉及量子力學和相對論物理等交叉學科應用的很多挑戰。狹義相對論適用於速度非常高的物體，而量子力學適用範圍則是溫度極低、運動速度很小的微觀物體。因此，以集體效應為主的高能量密度狀態為我們發現新物理規律提供了可能。
高能量密度物理前沿突破還要依賴於超短超強鐳射技術的發展。我們預計，未來10年裡，超短超強鐳射的聚焦功率密度將有可能提高到1021~1023瓦每平方釐米。在這樣的光強下，未來10年的核心科學問題將是以量子電動力學效應為核心的超相對論高能量密度物理。我真誠地邀請更多年輕科研工作者抓住機遇，與我們一起享受在高能量密度“宇宙”中探索奧秘的快樂。
來源： 《中國科學報》
