模拟多普勒增强激光器与固体目标之间的相互作用。图片来源：Zaïm et al.

越来越强的光束的实验性产生可能有助于揭示在非常强的电磁场存在下发生的新物理状态。虽然在实现这一目标方面已经取得了一些进展，但物理学家尚未开发出实现极端光强度的可靠策略。

巴黎萨克雷大学LIDYL、CEA、CNRS、的研究人员最近提出了一种现实的方法，使用紧密聚焦的多普勒增强激光器，在实验环境中达到前所未有的光强度。这种方法在发表在《物理评论快报》上的一篇论文中进行了概述，理论上发现可以实现接近施温格极限的光与物质相互作用。

“这篇论文利用了我们2019年在法国替代能源和原子能委员会（CEA-LIDYL）的团队中出现的一个想法，此后与劳伦斯伯克利国家实验室合作进行了广泛的研究（特别是在建模方面），”该论文的合著者Henri Vincenti和Neil Zaim告诉 Phys.org。

“在这次合作中，我们正在设计一种新技术，以前所未有的强度产生光源，并研究如何使用这种光源来探索量子电动力学（SF-QED）的强场态。

QED是电动力学的相对论量子理论，是经过最精确测试的物理理论之一。然而，由于目前难以通过实验对其进行探索，其强场制度在很大程度上仍未得到探索。

“SF-QED的理论是在几十年前发展起来的，它预测在存在非常强的电磁场的情况下会出现新的物理状态，其中伽马射线发射和反物质（电子 - 正电子对）的产生很普遍，甚至光在真空中的传播也变得非线性，”Vincenti和Zaim说。

“例如，一束强光束可以改变另一束光束穿过其路径的传播，麦克斯韦方程组没有描述这种状态，麦克斯韦方程组本质上是线性的。

从理论上讲，强场态发生在大质量天体物理物体附近，包括黑洞和中子星，以及伽马射线暴等极端天体物理事件期间。这些宇宙学现象尚未完全理解，因此在实验室环境中研究与它们相关的极端制度可能被证明是非常有见地的。

然而，到目前为止，科学家们还无法在实验环境中成功复制SF-QED主导的制度。为数不多的实验依赖于大规模粒子加速器，但它们只能检测到少量的SF-QED过程。

“这些机制在实验室环境中重现具有挑战性，因为当电磁场接近所谓的Schwinger极限（~1018V/m 或等效值 ~1029宽/厘米2);比最先进的激光技术高出几个数量级，该技术“只能”产生高达 ~10 的强度23宽/厘米2，“文森蒂和扎伊姆说。

“事实上，人们通常认为不可能在实验室框架内到达Schwinger场。因此，所有过去和提出的实验都依赖于仅在高能粒子的静止帧中达到施温格极限。

Vincenti，Zaim和他们的同事希望他们提出的产生高强度光的技术将为研究开辟新的机会。具体来说，它最终可能允许物理学家在实验室环境中接近所谓的施温格极限。

“在我们2019年的论文中，我们用最先进的数值模拟验证了我们的光增强技术的可行性，”Vincenti和Zaim说。

“我们的模拟表明，这种方法可以将PW激光的强度提高2到5个数量级，可能使1025-1028宽/厘米2强度范围在当前激光技术的范围内。在 2021 年发表在《自然物理学》上的一篇论文中，我们以更温和的强度（~1019宽/厘米2）太瓦级激光器。

在 2021 年发表的另一篇论文中，Vincenti 和他的合作者概述了进一步数值模拟的结果。这些结果表明，即使在他们希望使用他们提出的方法（~1025宽/厘米2），增强的光足以触发比传统PW激光器探测到的SF-QED现象更多的SF-QED现象。

“这可能会在未来几年内导致一种新的SF-QED实验，”Vincenti和Zaim说。“然而，在这种情况下，我们距离在实验室框架中达到施温格极限还有几个数量级，因为它只在高能粒子的静止框架中被超过。

虽然研究人员已经进行了各种数值模拟，以在理论上验证他们的方法，但其潜在应用之一仍有待探索。具体来说，该团队尚未探索其在实验室框架中接近Schwinger极限的潜力。

模拟多普勒增强激光器与电子束之间的碰撞。图片来源：Zaïm et al.

“这对应于我们希望通过我们的光增强技术达到的最高强度（~1028宽/厘米2）“，文森蒂和扎伊姆。“这篇新论文的目的是使用最先进的数值工具探索在这些未知领域发挥作用的物理场景。这些结果对于激励、定义和准备未来几代SF-QED实验非常重要。

为了产生前所未有的强度的光，Vincenti和他的同事们提出的技术利用了PW激光器和扁平固体目标之间的相互作用，后者被电离成等离子体。具体来说，研究人员建议用超高强度的激光束击中光学抛光的固体目标，从而形成所谓的等离子体镜。

该等离子体反射镜反射入射光，并受到强激光场的移动。这种运动导致反射激光脉冲的暂时压缩，然后通过多普勒效应将其转换为更短的波长。来自激光的辐射压力使等离子体镜具有自然曲率，将多普勒增强光束聚焦到较小的光斑上，理论上在这些光斑中产生超过三个数量级的强度增益。

“达到接近施温格极限的最高强度所需的关键附加成分（比如~1028宽/厘米2，而不是 ~1025宽/厘米2），是将增强光聚焦到尽可能小的体积的能力，“Vincenti和Zaim解释说。

“我们目前正在探索几种途径，以在实验中实现如此紧密的聚焦，例如，通过使用外部重聚焦极紫外光学器件。其中一些技术看起来非常有前途，将成为未来出版物的主题。

在他们最近的论文中，Vincenti和Zaim没有假设用于紧密聚焦多普勒增强光的方法，因为这将使他们能够在数值模拟中表示各种潜在的选择。相反，他们只是假设他们可以将光聚焦到尽可能小的体积（即衍射极限）。

“我们获得的结果非常令人兴奋，因为它们表明，在实验室框架中接近Schwinger极限会导致新的和极其丰富的光 - 物质相互作用场景，位于现代物理学的前沿，”Vincenti和Zaim说。

“我们的增强光和固体目标之间的简单相互作用导致了大量的SF-QED事件，这些事件主导了物理学。通常，30%到50%的增强光能通过SF-QED过程在几十飞秒内转化为伽马射线和电子-正电子对。

研究人员进行的数值模拟还表明，他们的方法导致产生的伽马光子和电子-正电子对被聚集成以光速移动的密集火球。虽然这些火球的寿命很短，只有大约1 fs，但研究小组认为它们可以模仿存在于黑洞和中子星附近的电子/正电子射流，因此它们有助于揭示它们发出的辐射的来源。

“在我们可以合理考虑的最高强度下（>1028宽/厘米2），我们发现物理学变得更加激进：粒子产生的连锁反应开始发生，“Vincenti和Zaim说。

“换句话说，光子和电子-正电子对会自己产生新的光子和正电子对，使火球的密度成倍增加，达到固体密度的5000倍以上。认为这种连锁反应机制有可能产生新的伽马射线暴和反物质的先进源，这并不是太不合理。

Vincenti，Zaim和他的同事们从理论上表明，他们的多普勒增强光与来自粒子加速器的高能电子束的碰撞也可能导致有趣的结果。事实上，在这种配置中，电子静止帧中的场变得如此之高，以至于为SF-QED开发的扰动理论崩溃了。

“换句话说，截至今天，我们不知道在这样的实验中会发生什么，”Vincenti和Zaim解释说。

“这种理论框架的缺乏可能是由于非扰动量子场论的数学复杂性，以及研究人员多年来一直认为在电子的静止帧中不可能达到如此高的电场这一事实。我们的猜测是，这些结果将进一步重振人们对SF-QED非扰动机制的兴趣，并刺激更适合该机制的新理论或数值框架的发展。

到目前为止，研究人员收集的结果表明，进行接近Schwinger极限的实验将产生令人兴奋的新结果，这些结果可以极大地促进等离子体物理学和QED领域。在他们的下一个研究中，他们计划与全球主要激光设施合作，开始在实际实验中应用他们提出的方法。

“我们预计的主要挑战是实际产生尽可能高的光强度（高达 1028宽/厘米2）在具有实验缺陷（激光和瞄准）和有限光束时间的真实环境中，“Vincenti和Zaim说。“识别和减轻未来的障碍将需要理论、数字和实验专业知识的结合。

研究人员预测，在最初的实验中，他们将能够产生强度约为10的增强光25宽/厘米2.虽然这些强度仍然远未达到Schwinger极限，但它们仍将是一项世界纪录，为以前从未进行过的高影响SF-QED实验铺平了道路。

“然后，我们将利用先前实验的反馈和激光技术的未来进展，从这里逐渐增加增强的光强度，直到Schwinger极限，”Vincenti和Zaim补充道。“这将使我们能够获得越来越壮观的SF-QED主导的相互作用。因此，我们相信未来会有激动人心的时刻。

更多信息：Neïl Zaïm 等人，使用紧密聚焦的多普勒增强激光器在施温格极限附近发生光-物质相互作用，物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.175002.在arXiv上： DOI： 10.48550/arxiv.2303.17581

期刊信息： Nature Physics ， Physical Review Letters ， arXiv