2025年2月，美國SLAC國家加速器實驗室成功產生史上最大電流和峰值功率的電子束，瞬間電流高達10萬安培。
撰文 | 姬揚（浙江大學物理學院）
2025年2月，美國SLAC國家加速器實驗室的科學家把許多高能量電子壓縮到很短的時間裏，獲得了有史以來最大電流、最大峰值功率的電子束，實現了拍瓦級的電子束脈衝。這種超快超強的電子束不僅可以檢測化學過程，模擬天體物理中的等離子體現象，將來甚至有可能用於探測真空的本質。那麼，什麼是電子束脈衝呢？這次進展具體體現在哪裏呢？未來還會有什麼突破呢？
電子束脈衝是由高能電子組成的時間短、強度高的電子流，經常用於科研和工業領域。這次科學進展主要體現在脈衝時間特別短和電流強度特別大。簡單地說，科學家們把電子加速到很高的能量（大約10GeV，也就是100億電子伏）、把10億個這樣的電子壓縮到很短的時間裏（1飛秒，也就是1千萬億分之一秒），瞬間電流達到10萬安培，使得瞬間功率達到拍瓦（也就是一萬億千瓦），這相當於100萬座核電站的總功率，但是持續時間非常短。
SLAC（Stanford Linear Accelerator Center）指的是斯坦福直線加速器中心，它是美國能源部下屬的國家實驗室，專注於高能物理和粒子物理學研究，產生10億個電子、把每個電子加速到100億電子伏，對那裏的科學家來說只是小菜一碟。真正的挑戰在於如何把這些能量為100億電子伏的10億個電子團結起來一起進步，因為每個電子的能量略有差別，出發時間也稍有先後，在起步的時候，這個以接近光速飛奔的電子隊列的長度大約是1毫米，每個電子的能量大約是1億電子伏，為了實現超快超強的電子束脈衝，科學家必須把每個電子的能量提高到100億電子伏，把電子隊列的長度壓縮到0.3微米，只有一根頭髮絲直徑的百分之一。
為了實現這個壯舉，科學家們先利用FACET-II設施提供了能量為125 MeV的電子束，然後通過一系列微波加速腔把它們加速至10 GeV能量，中間穿插使用了三個束流壓縮器。能夠產生飛秒級電流尖峰的關鍵硬件是激光加熱器，利用一束能量分佈經過精心設計的激光給電子束「加熱」，改變電子的能量分佈，形成了「啁啾」。在聲學和光學裏，「啁啾」指的是波的頻率隨時間變化的現象。而在電子束中，啁啾指的是電子的能量分佈隨時間變化，有的電子能量高，有的電子能量低，形成一個能量梯度。科學家們就是利用這種現象，通過調節電子的能量分佈來壓縮電子束，使其變得更短、更密集。
電子能量的提升意味着速度的增大，也就是更接近於光速，由於相對論效應，隊列的長度就會縮短。從1億電子伏到100億電子伏，可以讓隊列長度從1毫米縮短到10微米，但是僅僅這樣還不夠。必須利用啁啾也就是電子速度分佈的差異，讓跑得快的電子多跑些路程，讓跑的慢的電子抄近路。這就用到了名叫「減速彎」的磁鐵組件，以及名叫「波動器」的特殊磁鐵。前者用來常規壓縮，後者則是本次成功的關鍵，科學家們把精心設計的激光脈衝與電子束重疊，而波動器迫使電子左右擺動，從而能夠與光交換能量，使得電子束額外增加了一個更有用的啁啾結構，最後在電子束流里導致了一個寬度只有0.3微米的超強電子脈衝。
換句話說，科學家們通過激光和磁場的巧妙結合，把電子束「捏」成了一個極其短小、極其密集的脈衝，從而實現了有史以來最大的電流和峰值功率。
拍瓦級電子脈衝的應用潛力非常廣泛，幾乎可以覆蓋從基礎科學到實際技術的多個領域。比如說，它們可以用來模擬宇宙中的極端環境，幫助我們理解天體物理學中的一些奇特現象；可以用於研究強場量子電動力學，在極端條件下探索光與物質的相互作用；還可以用於超快化學反應的研究中，幫助我們觀察化學反應必然涉及的量子力學過程。
這樣的超快超強電子束當然還會推動高能物理和基本粒子物理學的研究工作，甚至可能用於驅動未來的光源和粒子加速器。
甚至有可能幫助我們探測到真空的本質。科學家指出，超快超強電子束可以產生超強電場，與超強激光脈衝碰撞有可能讓空間暴露在非常強的電極化中，如果由此產生的電場足夠強大，就會撕裂真空、產生粒子-反粒子對，這是量子物理學早就預測、但是尚未觀察到的神奇現象。
現在這個工作已經把以前最短的電子束脈衝縮短了5倍，為了撕裂真空、檢驗量子物理學預言的目標，還要把電子脈衝再縮短10倍。科學家們正在計劃用等離子體單元替代激光器，構建更複雜的啁啾調製方案。
如果能夠生成更強大、更精確的電子束，未來的科學研究將會變得更加深入和廣泛。各位觀眾朋友們，現在就讓我們一起做好準備，迎接更快更強的電子束脈衝帶來的衝擊。
