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(duì)論量級(jí)無碰撞激波，激波速度達(dá)到光速的3%（約10⁷ m/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(duì)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(duì)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(duì)象。例如引力波（如LIGO探測的中子星并合事件）與電磁信號(hào)（伽馬射線、X射線）的多信使天文協(xié)同過程，可通過相對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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10⁴~10⁶ m/s量級(jí)。與相對(duì)論速度還有多個(gè)量級(jí)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(duì)論量級(jí)無碰撞激波的產(chǎn)生成為了可能。

超強(qiáng)超短激光時(shí)域脈沖調(diào)控實(shí)現(xiàn)近相對(duì)論無碰撞激波示意圖

       2023年基金委“超強(qiáng)激光物理基礎(chǔ)科學(xué)中心”項(xiàng)目啟動(dòng)，基于“羲和”激光裝置集群，團(tuán)隊(duì)對(duì)前沿基礎(chǔ)科學(xué)多個(gè)目標(biāo)陸續(xù)展開研究。團(tuán)隊(duì)在前期發(fā)展了超快磁光探測方法診斷技術(shù)研究自組織強(qiáng)磁場的演化[Phys. Rev. Lett. 121, 255002 (2018)]。在本工作中研究團(tuán)隊(duì)提出采用雙脈沖強(qiáng)激光組合序列來激發(fā)固體產(chǎn)生的膨脹等離子體，其中先導(dǎo)脈沖制熱靶材形成“星系介質(zhì)環(huán)境”，第二束主脈沖激發(fā)“離子流自組織過程”，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)中離子誘導(dǎo)的自組織強(qiáng)磁場進(jìn)入迅速增長階段時(shí)（最高強(qiáng)度達(dá)到了5000 T），強(qiáng)磁場中的離子在被散射、減速的過程中實(shí)現(xiàn)了磁場主導(dǎo)的無碰撞激波，激波速度達(dá)到光速的3%（約10⁷ m/s），和銀河系最重要超新星之一（SNR G1.9+0.3）的激波速度相當(dāng)。工作被同期刊印的同行評(píng)價(jià)為“這是等離子體科學(xué)和工程領(lǐng)域的重大突破”，“這一現(xiàn)象與眾多天體物理學(xué)系統(tǒng)密切相關(guān)，包括伽馬射線暴、超新星爆發(fā)、千新星、坍縮星以及可能的中子星合并事件。研究結(jié)果極具說服力、創(chuàng)新性和關(guān)鍵性?！?/p>

       研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)稠密等離子體復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過程的精密控制，首次在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)現(xiàn)了超新星遺跡激波的高能物理?xiàng)l件。這種磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)超常規(guī)實(shí)驗(yàn)室水平，接近中子星表面或超新星激波前沿的極端磁場環(huán)境。通過產(chǎn)生與SNR G1.9+0.3相當(dāng)?shù)募げㄋ俣?，為解釋超新星遺跡中自組織強(qiáng)磁場主導(dǎo)的無碰撞激波的起源提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。為未來基于“羲和”激光裝置研究更復(fù)雜的天體現(xiàn)象如伽馬射線暴噴流、黑洞吸積盤、暗物質(zhì)湮滅信號(hào)等多尺度物理過程提供了技術(shù)藍(lán)圖，有望開辟“實(shí)驗(yàn)室天體物理學(xué)”的新范式，推動(dòng)強(qiáng)激光物理、等離子體物理和宇宙物理等領(lǐng)域的深度融合。

       中國科學(xué)院上海光機(jī)所白亞鋒副研究員為論文第一作者，李儒新院士和田野研究員為共同通訊作者，相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心、國家杰出青年科學(xué)基金、中國科學(xué)院基礎(chǔ)研究青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）以及基礎(chǔ)研究特區(qū)計(jì)劃（中國科學(xué)院上海分院）等支持。