上海光机所在超强超短激光脉冲精密调控等离子体实现亚相对论无碰撞激波研究方面取得重要进展

近日，中国科学院上海光机所超强激光科学与技术全国重点实验室李儒新院士和田野研究员团队，实现了基于超强超短激光精密调控等离子体的亚相对论量级无碰撞激波，激波速度达到0.03倍光速（约107m/s）。团队创新性地采用纳秒时域双脉冲强度参数的精密调控方法，利用该时域结构型脉冲驱动等离子体，发现了自组织强磁场（最高值5000T）介导产生了亚相对论无碰撞激波，在受控条件下复现了激波速度相当的银河系最年轻超新星遗迹SNR G1.9+0.3的极端物理环境。相关工作以“Observation of sub-relativistic collisionless shock generation and breakout dynamics”为题，4月28日发表在国际期刊《自然通讯》杂志。相对论无碰撞冲击波是当冲击波传播速度接近光速，且粒子间碰撞频率极低时形成的极端物理现象。其能量耗散和粒子加速主要通过电磁场湍流、波-粒相互作用等非碰撞机制完成。这类冲击波广泛存在于宇宙高能现象中，同时也是实验室高能物理的前沿研究对象。例如引力波（如LIGO探测的中子星并合事件）与电磁信号（伽马射线、X射线）的多信使天文协同过程，可通过相对论冲击波研究揭示能量释放的时间延迟和谱特征。在激光聚变方案中，利用高能激光驱动的无碰撞冲击波的研究，是提升靶丸压缩对称性，增强聚变点火效率的重要途径。此外，实验室生成的相对论冲击波可模拟中子星表面或黑洞吸积盘附近的超强磁场与辐射场，用于测试航天器材料的极限性能。理解星际介质中相对论冲击波与物质的相互作用，可优化深空探测器防护设计，对抵御高能粒子和辐射损伤具有重要意义。超强激光可在实验室内部创造极端的物理环境，美国国家点火装置[Nat. Phys. 16, 916–920 (2020)]，罗切斯特大学OMEGA[Nat. Phys. 11, 173–176 (2015)]等激光装置上开展研究探索通过高能激光激发无碰撞激波的可能性，激波速度普遍在104~106m/s量级。与相对论速度还有多个量级差异，相应领域亟待原理上探索演示。上海光机所团队于2020年建设完成了上海超强超短激光实验装置（又名“羲和”激光装置），利用超强超短激光在多参数空间维度来探索相对论量级无碰撞激波的产生成为了可能。

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超强超短激光时域脉冲调控实现近相对论无碰撞激波示意图)

2023年基金委“超强激光物理基础科学中心”项目启动，基于“羲和”激光装置集群，团队对前沿基础科学多个目标陆续展开研究。团队在前期发展了超快磁光探测方法诊断技术研究自组织强磁场的演化[Phys. Rev. Lett. 121, 255002 (2018)]。在本工作中研究团队提出采用双脉冲强激光组合序列来激发固体产生的膨胀等离子体，其中先导脉冲制热靶材形成“星系介质环境”，第二束主脉冲激发“离子流自组织过程”，研究发现当系统中离子诱导的自组织强磁场进入迅速增长阶段时（最高强度达到了5000特斯拉），强磁场中的离子在被散射、减速的过程中实现了磁场主导的无碰撞激波，激波速度达到0.03倍光速（约107m/s），和银河系最重要超新星之一（SNR G1.9+0.3）的激波速度相当。工作被同期刊印的同行评价为“这是等离子体科学和工程领域的重大突破”，“这一现象与众多天体物理学系统密切相关，包括伽马射线暴、超新星爆发、千新星、坍缩星以及可能的中子星合并事件。研究结果极具说服力、创新性和关键性。”研究实现了对稠密等离子体复杂动力学过程的精密控制，首次在实验室中复现了超新星遗迹激波的高能物理条件。这种磁场强度远超常规实验室水平，接近中子星表面或超新星激波前沿的极端磁场环境。通过产生与SNR G1.9+0.3相当的激波速度，为解释超新星遗迹中自组织强磁场主导的无碰撞激波的起源提供了实验依据。为未来基于“羲和”激光装置研究更复杂的天体现象如伽马射线暴喷流、黑洞吸积盘、暗物质湮灭信号等多尺度物理过程提供了技术蓝图，有望开辟“实验室天体物理学”的新范式，推动强激光物理、等离子体物理和宇宙物理等领域的深度融合。      中国科学院上海光机所白亚锋副研究员为论文第一作者，李儒新院士和田野研究员为共同通讯作者，相关工作得到国家自然科学基金委基础科学中心、国家杰出青年科学基金、中国科学院基础研究青年团队项目、中国科学院战略性先导科技专项（B类）以及基础研究特区计划（中国科学院上海分院）等支持。