人類(lèi)史上最強(qiáng)電子束誕生了：功率相當(dāng)于100萬(wàn)座核電站，拍瓦級(jí)脈沖開(kāi)啟新紀(jì)元！2025年2月，美國(guó)SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室成功產(chǎn)生了史上最大電流和峰值功率的電子束，瞬間電流高達(dá)10萬(wàn)安培。

科學(xué)家們將許多高能量電子壓縮到極短時(shí)間內(nèi)，獲得了有史以來(lái)最大電流、最大峰值功率的電子束，實(shí)現(xiàn)了拍瓦級(jí)的電子束脈沖。這種超快超強(qiáng)的電子束不僅可以檢測(cè)化學(xué)過(guò)程，模擬天體物理中的等離子體現(xiàn)象，將來(lái)甚至有可能用于探測(cè)真空的本質(zhì)。

電子束脈沖是由高能電子組成的時(shí)間短、強(qiáng)度高的電子流，常用于科研和工業(yè)領(lǐng)域。這次科學(xué)進(jìn)展主要體現(xiàn)在脈沖時(shí)間特別短和電流強(qiáng)度特別大。簡(jiǎn)單地說(shuō)，科學(xué)家們把電子加速到很高的能量（大約10GeV，即100億電子伏），并將10億個(gè)這樣的電子壓縮到極短時(shí)間內(nèi)（1飛秒，即1千萬(wàn)億分之一秒），瞬間電流達(dá)到10萬(wàn)安培，使得瞬間功率達(dá)到拍瓦（即一萬(wàn)億千瓦），相當(dāng)于100萬(wàn)座核電站的總功率，但持續(xù)時(shí)間非常短。

SLAC指的是斯坦福直線加速器中心，是美國(guó)能源部下屬的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，專(zhuān)注于高能物理和粒子物理學(xué)研究。產(chǎn)生10億個(gè)電子并將其加速到100億電子伏對(duì)那里的科學(xué)家來(lái)說(shuō)相對(duì)容易。真正的挑戰(zhàn)在于如何把這些能量為100億電子伏的10億個(gè)電子團(tuán)結(jié)起來(lái)一起進(jìn)步。每個(gè)電子的能量略有差別，出發(fā)時(shí)間也稍有先后，在起步時(shí)，這個(gè)以接近光速飛奔的電子隊(duì)列長(zhǎng)度約為1毫米，每個(gè)電子的能量約為1億電子伏。為了實(shí)現(xiàn)超快超強(qiáng)的電子束脈沖，科學(xué)家必須將每個(gè)電子的能量提高到100億電子伏，并將電子隊(duì)列的長(zhǎng)度壓縮到0.3微米，僅有一根頭發(fā)絲直徑的百分之一。

為了實(shí)現(xiàn)這一壯舉，科學(xué)家們首先利用FACET-II設(shè)施提供了能量為125 MeV的電子束，然后通過(guò)一系列微波加速腔將其加速至10 GeV能量，中間穿插使用了三個(gè)束流壓縮器。能夠產(chǎn)生飛秒級(jí)電流尖峰的關(guān)鍵硬件是激光加熱器，利用一束能量分布經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的激光給電子束“加熱”，改變電子的能量分布，形成了“啁啾”。在聲學(xué)和光學(xué)里，“啁啾”指的是波的頻率隨時(shí)間變化的現(xiàn)象。而在電子束中，啁啾指的是電子的能量分布隨時(shí)間變化，有的電子能量高，有的電子能量低，形成一個(gè)能量梯度?？茖W(xué)家們就是利用這種現(xiàn)象，通過(guò)調(diào)節(jié)電子的能量分布來(lái)壓縮電子束，使其變得更短、更密集。

電子能量的提升意味著速度的增大，也就是更接近于光速。由于相對(duì)論效應(yīng)，隊(duì)列的長(zhǎng)度會(huì)縮短。從1億電子伏到100億電子伏，可以讓隊(duì)列長(zhǎng)度從1毫米縮短到10微米，但這還不夠?？茖W(xué)家們還必須利用啁啾現(xiàn)象，讓跑得快的電子多跑些路程，讓跑得慢的電子抄近路。這就用到了名叫“減速?gòu)潯钡拇盆F組件，以及名叫“波動(dòng)器”的特殊磁鐵。前者用來(lái)常規(guī)壓縮，后者則是本次成功的關(guān)鍵?？茖W(xué)家們把精心設(shè)計(jì)的激光脈沖與電子束重疊，而波動(dòng)器迫使電子左右擺動(dòng)，從而能夠與光交換能量，使得電子束額外增加了一個(gè)更有用的啁啾結(jié)構(gòu)，最終在電子束流里導(dǎo)致了一個(gè)寬度只有0.3微米的超強(qiáng)電子脈沖。

換句話說(shuō)，科學(xué)家們通過(guò)激光和磁場(chǎng)的巧妙結(jié)合，把電子束“捏”成了一個(gè)極其短小、極其密集的脈沖，從而實(shí)現(xiàn)了有史以來(lái)最大的電流和峰值功率。

拍瓦級(jí)電子脈沖的應(yīng)用潛力非常廣泛，幾乎可以覆蓋從基礎(chǔ)科學(xué)到實(shí)際技術(shù)的多個(gè)領(lǐng)域。例如，它們可以用來(lái)模擬宇宙中的極端環(huán)境，幫助我們理解天體物理學(xué)中的一些奇特現(xiàn)象；可以用于研究強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)，在極端條件下探索光與物質(zhì)的相互作用；還可以用于超快化學(xué)反應(yīng)的研究中，幫助我們觀察化學(xué)反應(yīng)必然涉及的量子力學(xué)過(guò)程。

此外，這樣的超快超強(qiáng)電子束還會(huì)推動(dòng)高能物理和基本粒子物理學(xué)的研究工作，甚至可能用于驅(qū)動(dòng)未來(lái)的光源和粒子加速器。甚至有可能幫助我們探測(cè)到真空的本質(zhì)?？茖W(xué)家指出，超快超強(qiáng)電子束可以產(chǎn)生超強(qiáng)電場(chǎng)，與超強(qiáng)激光脈沖碰撞有可能讓空間暴露在非常強(qiáng)的電極化中。如果由此產(chǎn)生的電場(chǎng)足夠強(qiáng)大，就會(huì)撕裂真空、產(chǎn)生粒子-反粒子對(duì)，這是量子物理學(xué)早就預(yù)測(cè)但尚未觀察到的神奇現(xiàn)象。

現(xiàn)在這個(gè)工作已經(jīng)把以前最短的電子束脈沖縮短了5倍，為了撕裂真空、檢驗(yàn)量子物理學(xué)預(yù)言的目標(biāo)，還需要將電子脈沖再縮短10倍?？茖W(xué)家們正在計(jì)劃用等離子體單元替代激光器，構(gòu)建更復(fù)雜的啁啾調(diào)制方案。

如果能夠生成更強(qiáng)大、更精確的電子束，未來(lái)的科學(xué)研究將會(huì)變得更加深入和廣泛。