高能量密度|探索高能量密度“宇宙”中的奥秘
——记国家自然科学基金创新研究群体项目“高能量密度物理若干前沿问题研究”
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创新群体项目成员合影，左六为张杰 。
采访人员 甘晓
宇宙中绝大多数物质均处于高能量密度等离子体状态，而像地球一样存在物质固液气三相的地方却极其罕见 。因此，科学家梦寐以求的愿望是在地球实验室里“复制”高能量密度的“宇宙”，以便探索它的奥秘 。为此，从超短超强激光技术、超高时空分辨实验诊断技术以及复杂的理论与数值模拟等三个维度进行“三位一体”研究是必须的 。
中国科学院院士张杰带领的“高能量密度物理若干前沿问题研究”创新研究群体就是这样的“三位一体”研究团队 。在连续三期国家自然科学基金创新研究群体项目（以下简称创新群体项目）的支持下，该科研团队在对高能量密度物理奥秘的探索中，取得了一批国际领先水平的研究成果 。
基础研究最需要梦想
上海交通大学激光等离子体教育部重点实验室是张杰和研究团队的大本营 。在这里，“梦想”是使用频率最高的关键词 。“探索高能量密度物理世界的奥秘，最需要的是梦想 。”张杰告诉《中国科学报》 。
新的物理规律和现象，总是在人类探索最极端条件下的物质状态时被发现 。挑战高能量密度物理的极限、探索高能量密度“宇宙”中的奥秘，正是张杰研究团队的梦想 。
想要在地球上产生极端高能量密度状态并对其中的奥秘进行创新研究，就必须想办法将尽可能大的能量汇聚在极小的时空尺度，这就需要挑战超短超强激光的极限，挑战高时空分辨测量的极限，挑战人类认知的极限 。
美国罗切斯特大学的Gerard Mourou和Donna Strickland1985年发明的超短脉冲“啁啾脉冲放大”（CPA）技术将超短超强激光的输出功率提升了100万倍，使得在大学实验室创造高能量密度物理状态成为可能，他们也因此获得2018年度的诺贝尔物理学奖 。在创新群体项目支持下，钱列加教授等群体成员提出了“准参量啁啾脉冲放大”（QPCPA）的新方案，打破CPA技术的放大极限，将超短超强激光的放大能力又提高了10倍，创造了新的世界纪录，有望将单束超短超强激光推进到前所未有的1017瓦的极端超高功率区域 。
群体成员向导教授在超快电子衍射方面取得重要突破 。他们将加速器领域的双偏转消色差技术与激光领域啁啾脉冲放大压缩技术结合，将超快电子衍射的时间分辨率提高到优于50飞秒，把美国同行保持多年的分辨率世界纪录提高了近3倍 。这意味着，拍摄超高时间分辨率的原子电影将成为现实 。
在高能量密度物态下的粒子加速方面，群体成员陈民教授通过理论分析和大规模数值模拟研究，提出了一种全新的激光等离子体尾波加速级联方案，有望大幅提升级联耦合效率，为产生1011电子伏以上的高能电子束提供了可能 。
在高能量密度物态演化方面，群体成员在神光II实验平台上的研究揭示了全新的磁重联特征，验证了欧洲太空总署卫星的观察结果 。此外，群体成员盛政明教授等还研究了太阳内磁湍流，解释了相对论强激光与固体靶作用中的超强磁场以及湍流产生 。这些研究为利用强激光研究天体高能量密度状态的演化提供了全新思路 。
对于上述成果，张杰总结道：“以探索高能量密度物理过程最本质的未知为梦想，锲而不舍地三位一体攻关，才能不断发现高能量密度‘宇宙’中的新奥秘 。”
服务国家战略需求
攀登科学高峰的同时，科研团队牢记服务国家战略需求的使命 。在创新群体项目支持下，科研团队将多个研究成果转化应用于国家科技重大专项任务等国家战略需求 。
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