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2025年2月，美国SLAC国家加速器实行室成功产生史上最大电流和峰值功率的电子束，瞬间电流高达10万安培。
撰文 | 姬扬（浙江大学物理学院）
2025年2月，美国SLAC国家加速器实行室的科学家把许多高能量电子压缩到很短的时间里，获得了有史以来最大电流、最大峰值功率的电子束，实现了拍瓦级的电子束脉冲。这种超快超强的电子束不仅可以检测化学过程，模仿天体物理中的等离子体现象，将来甚至有可能用于探测真空的本质。那么，什么是电子束脉冲呢？这次进展详细体现在哪里呢？未来还会有什么突破呢？
电子束脉冲是由高能电子组成的时间短、强度高的电子流，常常用于科研和工业范畴。这次科学进展主要体现在脉冲时间特别短和电流强度特别大。简单地说，科学家们把电子加速到很高的能量（大约10GeV，也就是100亿电子伏）、把10亿个这样的电子压缩到很短的时间里（1飞秒，也就是1万万亿分之一秒），瞬间电流达到10万安培，使得瞬间功率达到拍瓦（也就是一万亿千瓦），这相当于100万座核电站的总功率，但是持续时间非常短。
SLAC（Stanford Linear Accelerator Center）指的是斯坦福直线加速器中心，它是美国能源部部属的国家实行室，专注于高能物理和粒子物理学研究，产生10亿个电子、把每个电子加速到100亿电子伏，对那边的科学家来说只是小菜一碟。真正的挑战在于怎样把这些能量为100亿电子伏的10亿个电子连合起来一起进步，因为每个电子的能量略有差别，出发时间也稍有先后，在起步的时候，这个以靠近光速飞奔的电子队列的长度大约是1毫米，每个电子的能量大约是1亿电子伏，为了实现超快超强的电子束脉冲，科学家必须把每个电子的能量提高到100亿电子伏，把电子队列的长度压缩到0.3微米，只有一根头发丝直径的百分之一。
为了实现这个壮举，科学家们先利用FACET-II设施提供了能量为125 MeV的电子束，然后通过一系列微波加速腔把它们加速至10 GeV能量，中间穿插使用了三个束流压缩器。可以或许产生飞秒级电流尖峰的关键硬件是激光加热器，利用一束能量分布经过精心计划的激光给电子束“加热”，改变电子的能量分布，形成了“啁啾”。在声学和光学里，“啁啾”指的是波的频率随时间变革的现象。而在电子束中，啁啾指的是电子的能量分布随时间变革，有的电子能量高，有的电子能量低，形成一个能量梯度。科学家们就是利用这种现象，通过调节电子的能量分布来压缩电子束，使其变得更短、更密集。
电子能量的提拔意味着速度的增大，也就是更靠近于光速，由于相对论效应，队列的长度就会缩短。从1亿电子伏到100亿电子伏，可以让队列长度从1毫米缩短到10微米，但是仅仅这样还不够。必须利用啁啾也就是电子速度分布的差异，让跑得快的电子多跑些路程，让跑的慢的电子抄近路。这就用到了名叫“减速弯”的磁铁组件，以及名叫“波动器”的特殊磁铁。前者用来常规压缩，后者则是本次成功的关键，科学家们把精心计划的激光脉冲与电子束重叠，而波动器迫使电子左右摆动，从而可以或许与光交换能量，使得电子束额外增加了一个更有用的啁啾结构，最后在电子束流里导致了一个宽度只有0.3微米的超强电子脉冲。
换句话说，科学家们通过激光和磁场的巧妙结合，把电子束“捏”成了一个极其短小、极其密集的脉冲，从而实现了有史以来最大的电流和峰值功率。
拍瓦级电子脉冲的应用潜力非常广泛，险些可以覆盖从底子科学到实际技能的多个范畴。比如说，它们可以用来模仿宇宙中的非常情况，资助我们明白天体物理学中的一些奇特现象；可以用于研究强场量子电动力学，在非常条件下探索光与物质的相互作用；还可以用于超快化学反应的研究中，资助我们观察化学反应必然涉及的量子力学过程。
这样的超快超强电子束当然还会推动高能物理和基本粒子物理学的研究工作，甚至可能用于驱动未来的光源和粒子加速器。
甚至有可能资助我们探测到真空的本质。科学家指出，超快超强电子束可以产生超强电场，与超强激光脉冲碰撞有可能让空间袒露在非常强的电极化中，如果由此产生的电场足够强大，就会撕裂真空、产生粒子-反粒子对，这是量子物理学早就预测、但是尚未观察到的神奇现象。
现在这个工作已经把以前最短的电子束脉冲缩短了5倍，为了撕裂真空、检验量子物理学预言的目标，还要把电子脉冲再缩短10倍。科学家们正在筹划用等离子体单元替代激光器，构建更复杂的啁啾调制方案。
如果可以或许生成更强大、更准确的电子束，未来的科学研究将会变得更加深入和广泛。各位观众朋友们，现在就让我们一起做好准备，迎接更快更强的电子束脉冲带来的冲击。
本文为科普中国·创作培育筹划扶持作品
出品：中国科协科普部
监制：中国科学技能出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司
来源：https://view.inews.qq.com/k/20250512A02L9D00
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