超強雷射和高能電子束碰撞 助力量子輻射反作用理論新進展

2020-11-25 OFweek維科網

中國科學院上海光學精密機械研究所強場雷射物理國家重點實驗室研究團隊發現，超強雷射和高能電子束的碰撞可甄別電子動力學的經典和量子電動力學（QED）行為邊界，為理解極端強場下光與物質相互作用的基本規律提供了重要途徑。相關成果發表在［Communications Physics 2， 66 （2019）］。

帶電粒子的運動及其輻射是最古老的電磁學問題之一。高能電子速度發生變化時將產生輻射，同時受到輻射反作用力。在弱場中，輻射反作用力一般可以忽略，相對論電子的行為由洛侖茲力決定。而當雷射強度超過一定閾值時，電子動力學必須考慮輻射反作用力的影響。在一定的近似下，Landau和Lifshitz給出了描述輻射反作用力的經典表達式（LL方程）。近來的研究表明，在輻射主導情形下，經典圖像也許不再適用。當單個輻射光子的能量可以與電子本身的能量相比擬時，輻射將從連續變得離散，而且體現出很強的隨機效應，準確的描述須依賴強場QED理論。從洛侖茲力、經典LL方程到強場QED理論，如何辨別超強光場電子動力學的正確描述方法，是理解百拍瓦級雷射與物質相互作用的基礎與前提。

上海光機所團隊深入研究了10－100拍瓦的雷射與能量為數百MeV的電子束的橫向碰撞過程，發現電子的透射、反射行為在不同的理論框架下體現出迥異的特性：不考慮輻射反作用力時高能電子將直接穿過雷射束，經典的LL方程則預言電子能量消耗殆盡以致全部被散射。QED圖像介於兩者之間，部分電子透射而部分被散射，這正是離散、隨機的量子特性的深刻反映。基於此，研究者進一步提出測量散射電子數量和角分布的方法，以揭示不同的參數範圍下電子動力學究竟由何種理論描述。該項研究預示在未來的10－100拍瓦雷射裝置上，人們將有機會觀察到極端強場下高能自由電子的量子力學行為。

相關工作得到科技部、國家自然科學基金委、中科院B類先導專項以及青年****的支持。

（a）雷射與電子束橫向碰撞示意圖。（b）反射電子的角分布。（c） 電子反射率。

圖片來源：上海光機所

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