張杰院士：強激光焦點下的奧秘

　　11月21日，2021未來科學大獎頒獎典禮舉行。上海交通大學講席教授、中科院物理所研究員張杰院士獲頒未來科學大獎-“物質科學獎”，以獎勵他與其團隊通過調控激光與物質相互作用，產生精確可控的超短脈沖高能電子束，并將其應用于激光核聚變的快點火研究和實現超高時空分辨高能電子衍射成像。

　　激光，是人類最偉大的發明之一，被認為是“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”。這道光焦點下的微觀物質世界，如此令人著迷，讓張杰研究了30多年。

　　張杰近日在未來科學大獎與上海交通大學聯合舉行的學術報告會上，作了題為“極端條件下的物質世界與超高時空分辨觀測”演講，他從超強激光技術發展、高能粒子加速、超快電子衍射以及激光核聚變四個方面回顧了他領導的團隊在過去20年時間的科研進展。通過把強激光焦點下形成的高能量密度物質狀態和日常生活、宇宙天體中的物理參數相比較，讓聽眾享受了高能量密度物理這一神奇領域的饕餮盛宴。

　　物理學家喜歡探索的科學問題有兩類，第一類是人類社會發展中遇到的瓶頸性難題，比如當前人類社會發展迫切需要解決的最大難題—終極能源問題，第二類是自然界中最難以理解的奧秘，比如微觀物質世界的結構與功能。

　　張杰在接受《中國科學報》專訪時說，激光具有極好的方向性、相干性和偏振等特點，因此，超短超強激光脈沖和物質相互作用可以產生精確可控的超短脈沖高能電子束，這樣的高能電子束可以用于高能量密度環境下輸運能量和超高時空分辨探測兩個方面。在第一個方面，超短脈沖高能電子束可以將其攜帶的能量精準地輸運到預先壓縮的聚變燃料中，實現快速加熱并引發核聚變反應。核聚變能由于其燃料來自海水、效率是化石能源的千萬倍、沒有長期的核廢料、沒有碳排放等特點，因此被視為未來社會的“終極能源”。

　　另一方面，超短脈沖高能電子束也可以作為極其敏感的超高時空分辨的探針，為探測微觀世界的超快動力學過程，提供超高時空分辨的研究手段。張杰團隊研制的高能電子衍射與成像裝置達到了亞埃級的超高空間分辨能力和50飛秒的超高時間分辨能力。

　　“人類認識微觀世界的超快過程需要不斷提高觀測儀器的時間和空間分辨能力。”在張杰團隊之前，時間分辨能力的國際最好水平是150飛秒。“微觀物質世界有不少重要的超快過程的時間尺度恰巧在100飛秒左右，所以當我們的裝置達到50飛秒的時間分辨能力時，就使人類第一次具有了直接觀察微觀世界這些超快過程的能力。”張杰打了個比方，就像對高速運動物體的攝影，只有相機“快門”的速度比運動速度更快，才可以清晰成像。

　　“科學探索的根本驅動力是人類的好奇心，這是人類長期以來得以進化的本能之一，因此，學習和科學探索的過程其實是非常快樂的。我們一定要學會享受學習和科學探索過程本身帶來的樂趣。”為了進行快點火激光聚變和高能量密度物理前沿研究，張杰經歷了不一般的艱難困苦，但幾十年來，他甘之如飴，始終如一。

　　上海交通大學黨委書記楊振武這樣評價：“張杰院士及團隊在過去幾十年潛心研究、集智攻關的歷程，體現了新時代科學家的愛國精神、創新精神、求實精神、奉獻精神。”

　　太陽和許多恒星的內部溫度高達千萬攝氏度以上，每時每刻都在發生著劇烈的核聚變反應。張杰介紹，太陽每秒放出的能量約為3.9×1026焦耳，雖然到達地球表面的僅為太陽每秒釋放能量的10億分之一，但這也是巨大的能量，正是這個能量，才使得地球上的一切生命活動成為可能。

　　核聚變反應是宇宙中的普遍現象，它是恒星（例如太陽）的能量來源。核聚變能也是全世界能源發展的前沿方向，如果人類可以掌控這種能量，就能徹底擺脫目前地球的能源與環境危機的困擾。

　　受控核聚變所需要的原料是氫元素中的兩個同位素氘和氚。氘可從海水中提取，氚可以由地球上儲量非常豐富的鋰生成。張杰介紹，一立方公里海水所含的氘經過聚變反應產生的能量就相當于地球上所有石油儲備產生的總能量，因此聚變能源的開發,將“一勞永逸”地解決人類的能源需要。

　　到目前為止，人類對受控核聚變的研究主要分為兩類。一是磁約束核聚變，典型的實驗裝置如中科院合肥物質科學研究院的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）和法國的ITER實驗裝置。

　　二是激光核聚變，典型實驗裝置如我國的神光激光裝置和美國的國家點火裝置（NIF）。占地面積有三個美式足球場那么大的NIF激光裝置采用傳統的中心點火激光核聚變方案。

　　“傳統的中心點火激光核聚變方案需要使用巨大能量的激光裝置對氘氚燃料進行同步的壓縮和點火，而同步進行的壓縮和點火過程會引起極其復雜的非線性物理過程。”張杰表示，這種方案可以作為實現受控激光核聚變反應的研究方案，但是由于效率不高，未來真正作為核聚變能量的產生，還需要探索其它點火方案。

　　除美國之外，世界上還有其它不同的激光聚變點火方案正在研究之中。比如張杰團隊目前正在探索另一種點火方案，采用特殊設計的激光波形與靶構型，將壓縮過程與點火過程分離，首先將氘氚燃料到極高的密度，然后通過精確調控皮秒拍瓦激光脈沖產生的高能電子束對壓縮后的燃料進行快速加熱點火，降低物理上的不穩定性，同時大幅度提高激光能量到點火能量的效率。

　　其中對皮秒拍瓦激光脈沖高能電子束的精確調控是點火的關鍵。自上世紀九十年代以來，張杰團隊經過大量的實驗與理論的研究，實現了對高能電子束發射方向與能量的精確調控，并實現了表面自生電磁場對高能電子束的引導和聚焦。

　　“我們的激光聚變實驗研究主要是使用中科院上海光機所的神光二號升級激光裝置，目前我們的方案已經完成了6輪驗證實驗，對新型激光聚變方案的分解物理過程進行逐步驗證，并取得了預期的進展。”

　　神光二號升級激光裝置是我國自主研制的大型激光裝置。張杰對記者表示，接下來團隊還會在神光二號激光裝置進一步升級的同時，在未來的5年時間里，再做12輪實驗，他們的目標是在2026年驗證阿爾法粒子的自加熱，為新型激光聚變方案的驗證提供堅實的實驗基礎。

　　核聚變兩大產物之一是阿爾法粒子，“每個阿爾法粒子帶有3.5兆電子伏能量，在實驗中我們會想辦法把這個能量留下來，以便繼續加熱氘氚等離子體，實現自持燃燒。“

　　“人類為磁約束核聚變和激光核聚變反應點火的實現，已經努力數十年的時間。”張杰說，如今這兩種核聚變的研究道路都“走到了核聚變反應輸出能量等于輸入的能量的平衡點門檻”，下一步要朝輸出能量大于輸入能量十倍和百倍的里程碑目標繼續努力。

　　與此同時，經過過去十幾年時間的努力，他們研制的超短脈沖兆電子伏特電子衍射與成像裝置達到了亞埃級的空間分辨能力（1埃相當于百億分之一米），時間分辨能力提高到創紀錄的50飛秒，而1飛秒等于1000萬億分之一秒，此前國際最好水平是150飛秒。

　　利用這臺裝置，張杰團隊與合作者成功實現了對原子尺度超快過程的觀察，實現了對超快光場對量子材料維度的調控，觀察到瞬態的光致新奇物態；實現了對光誘導的新型相變以及單分子成像等重要物理與化學超快過程的首次觀測。

　　對于未來，在超高時空分辨的電子衍射和成像方面，張杰說，團隊的下一個努力目標是達到1飛秒量級的時間分辨能力，這將是又一個非常重要門檻。如果實現1飛秒量級的時間分辨能力，人類就能看到電子的運動過程，從而對物質微觀結構和功能的了解產生重要突破。

　　采訪結束的時候，張杰動情地說，即使在2020年初疫情非常嚴重、人員不能流動的情況下，實驗都沒有停下來。當時團隊研究人員帶著千方百計找到的1000只口罩，住在封閉的賓館里，克服重重困難調試實驗設備、采集實驗數據，高質量地完成了實驗。這段艱難的經歷，已經成為張杰團隊寶貴的精神財富。面向未來，張杰堅信，他們的目標一定能夠實現。