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科學(xué)家是如何從最基本的層面探索自然的？

他們會(huì)建造能辨識(shí)原子和亞原子的細(xì)節(jié)的“超級(jí)顯微鏡”。不過這在可見光下可是行不通的。若想探測(cè)最小尺度的物質(zhì)，他們可以對(duì)電子束加以利用，要么將它們直接用于粒子對(duì)撞機(jī)，要么在X射線激光器中將它們的能量轉(zhuǎn)換成明亮的X射線。而在這些能作出科學(xué)發(fā)現(xiàn)的機(jī)器中占據(jù)C位的，是粒子加速器。首先，粒子加速器會(huì)產(chǎn)生電子，然后在一系列的加速器腔中提高電子的能量。

現(xiàn)在，一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，一種更明亮的、基于等離子體的電子源，可被用于更緊湊、更強(qiáng)大的粒子加速器中。

在這種方法中，電子束的電子會(huì)從等離子體內(nèi)的中性原子中釋放出來。這種方法被稱為特洛伊木馬技術(shù)，因?yàn)檫@讓人想起古希臘人入侵特洛伊城的方式，他們把雄健的士兵（電子）藏在木馬（等離子體）中，然后被拉進(jìn)了城市（加速器）。

○ 一束激光（左邊紅色）將電子（藍(lán)點(diǎn)）從氦原子上剝離。一些自由電子（紅點(diǎn)）在由電子束（綠色）產(chǎn)生的等離子體泡（白色橢圓形）內(nèi)加速。| 圖片來源：Thomas Heinemann/University of Strathclyde

斯特拉斯克萊德大學(xué)的Bernhard Hidding是這項(xiàng)研究的首席研究員，他說：“我們的實(shí)驗(yàn)第一次表明特洛伊木馬方法確實(shí)能奏效。這是最有前途的一種未來電子源方法，它或許能突破當(dāng)今技術(shù)的邊界。”

這一研究發(fā)表在了《自然-物理》期刊上。

1. 用等離子體代替金屬

在目前最先進(jìn)的加速器中，電子是通過將激光照射到金屬的光電陰極上產(chǎn)生的，金屬光電陰極會(huì)將電子從金屬中踢出。電子在金屬腔內(nèi)加速，在那里，它們會(huì)從一個(gè)射頻場(chǎng)中吸收越來越多的能量，形成高能的電子束。在X射線激光器中，比如SLAC國(guó)家加速實(shí)驗(yàn)室中的LCLS，電子束能驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生極其明亮的X射線。

但是在一定的距離內(nèi)，金屬腔只能為電子提供有限的能量增益，或者說加速梯度。因此若想要有更大的能量增益，加速器還需要變得更大才行，這樣一來，建造加速器所需的占地面積和成本都會(huì)變得非常大。近年來，科學(xué)家一直在尋找能使加速器變得更緊湊的方法。例如他們證實(shí)了可以用等離子體代替金屬腔，以此來獲得更高的加速梯度，這或許能將未來加速器的長(zhǎng)度縮短100到1000倍。

新的論文將等離子體的概念擴(kuò)展成為加速器的電子源。SLAC的Mark Hogan是論文的一名合著者，他說：“我們之前已經(jīng)證明等離子體加速可以非常強(qiáng)大且高效，但是我們還沒能為未來的應(yīng)用制造出足夠高質(zhì)量的電子束。改善電子束的質(zhì)量是未來幾年的首要任務(wù)，而開發(fā)新型的電子源就是其中的一個(gè)重要部分。”

根據(jù)他們先前的計(jì)算，特洛伊木馬技術(shù)可以使電子束的亮度比現(xiàn)如今最強(qiáng)大的電子束高100到10000倍。更亮的電子束也能使未來的X射線激光器更加明亮，從而更進(jìn)一步地增強(qiáng)它們的科學(xué)能力。

特洛伊木馬項(xiàng)目在加州大學(xué)洛杉磯分校的首席研究員James Rosenzweig表示，如果能夠?qū)?/span>等離子體中的高加速梯度和等離子體中的束流產(chǎn)生結(jié)合在一起，那么就可以在幾米而不是幾公里的距離內(nèi)制造出能釋放同等能量的X射線激光器。

2.制造高級(jí)的電子束

研究人員在SLAC的FACET設(shè)備上進(jìn)行了他們的實(shí)驗(yàn)。目前FACET正在進(jìn)行重大升級(jí)，它能產(chǎn)生可用于下一代加速器技術(shù)研究（如等離子體加速）的高能電子脈沖。

首先，研究小組將激光照射到氫氣和氦氣的混合物中。所使用的的激光恰好有足夠的能量能從氫中剝離電子，把中性氫變成等離子體。但它的能量不足以將氦也變成離子，氦的電子比氫的電子束縛得更緊密，所以在等離子體中會(huì)仍然維持中性。

然后，研究人員將FACET的一個(gè)電子束發(fā)送到等離子體中，在那里產(chǎn)生等離子體尾流，就像摩托艇在水中滑行時(shí)會(huì)產(chǎn)生尾流一樣。拖尾的電子可以在尾流中“沖浪”，獲得巨大的能量。

在這項(xiàng)研究中，拖尾電子來自等離子體內(nèi)部（如下圖所示）。就在電子束以及它的尾流經(jīng)過時(shí)，研究人員用第二束緊密聚焦的激光照向等離子體中的氦。這一次的激光脈沖有了足夠的能量，可以把電子從氦原子中剝離出來，然后電子在尾流中加速。

○ 這個(gè)動(dòng)圖呈現(xiàn)了特洛伊木馬方法的概念。SLAC的FACET設(shè)備中的一束電子群（右邊的白色亮斑）穿過氫等離子體（紫色），形成了一個(gè)等離子體泡（藍(lán)色）。當(dāng)氣泡以接近光速通過等離子體時(shí)，一束激光脈沖將等離子體中的中性氦原子上的電子（白點(diǎn)）剝離了出來，這些被釋放出的電子就被困在氣泡的尾部，在那里獲得能量（左邊的白色亮點(diǎn)）。| 圖片來源：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

電子束以接近光速通過等離子體，它們和激光閃光之間的同步僅會(huì)持續(xù)千分之幾秒，這是特別重要且具有挑戰(zhàn)性的。加州大學(xué)洛杉磯分校的Aihua Deng是論文的主要作者之一，他說：“如果閃光來得太早，它所產(chǎn)生的電子就會(huì)干擾的等離子體尾流的形成。如果來得太晚，等離子體尾流就會(huì)移動(dòng)，導(dǎo)致電子無法加速。”

研究人員預(yù)計(jì)，現(xiàn)在能用特洛伊木馬方法所獲得的電子束亮度，已經(jīng)可以與現(xiàn)有的最先進(jìn)的電子源的亮度相媲美了。

來自德國(guó)漢堡大學(xué)的另一位主要作者Oliver Karger說：“我們的技術(shù)之所以具有革命性在于制造電子的方式。”當(dāng)電子被從氦中被剝離出來時(shí)，它們會(huì)在正向快速加速，這使得光束被緊緊地束在一起，這是要獲得更明亮光束的先決條件。

○ 在SLAC實(shí)現(xiàn)的利用特洛伊木馬技術(shù)，