——紀念國家自然科學基金創新研究群體項目“高能量密度物理若干前沿問題研究”
創新組項目成員合影，張杰為左六。
記者 甘曉
宇宙中絕大多數物質都處于高能量密度的等離子體狀態，但像地球這樣存在固、液、氣三相物質的地方極為罕見。 因此，科學家的夢想就是在地球實驗室中“復制”高能量密度的“宇宙”，以探索它的奧秘。 為此，需要從超短超強激光技術、超高時空分辨率實驗診斷技術以及復雜的理論和數值模擬三個維度開展“三位一體”研究。
中國科學院院士張杰領銜的創新研究小組“高能量密度物理若干前沿問題研究”就是這樣一個“三位一體”的研究團隊。 研究團隊在國家自然科學基金創新研究群體項目（以下簡稱創新群體項目）連續三期的支持下，在探索高能奧秘方面取得了多項國際領先的研究成果-密度物理學。
基礎研究最需要夢想
上海交通大學激光等離子體教育部重點實驗室是張杰及其研究團隊的大本營。 在這里，“夢想”是使用頻率最高的關鍵詞。 “探索高能量密度物理世界的奧秘，最需要的就是夢想。” 張杰告訴中國科學報。
當人類在最極端的條件下探索物質狀態時，總會發現新的物理定律和現象。 挑戰高能密度物理極限，探索高能密度“宇宙”的奧秘，是張杰研究團隊的夢想。
如果想要在地球上產生極高的能量密度狀態，并對其奧秘進行創新性研究，就必須找到一種方法，將盡可能多的能量集中在極小的時空尺度上。 這需要挑戰超短、超強激光的極限。 挑戰高時空分辨率測量的極限，挑戰人類認知的極限。
美國羅徹斯特大學教授和唐娜發明的超短脈沖“啁啾脈沖放大”（CPA）技術，使超短超強激光的輸出功率提高了100萬倍，使在大學實驗室中創建高能量密度物理狀態。 ，他們還獲得了2018年諾貝爾物理學獎。 在創新群體項目的支持下，錢列家教授等課題組成員提出了“準參數啁啾脈沖放大”（QPCPA）新解決方案，突破了CPA技術的放大極限，提高了超短波和超超波的放大能力。 - 強激光。 10倍，創下新的世界紀錄，有望將單束超短超強激光束推向前所未有的極限超高功率區域1017瓦。
該課題組成員王教授在超快電子衍射方面取得了重要突破。 他們將加速器領域的雙偏轉消色差技術與激光領域的啁啾脈沖放大壓縮技術相結合，將超快電子衍射的時間分辨率提高到優于50飛秒，刷新了美國同行多年來保持的分辨率世界紀錄。年。 近3次。 這意味著拍攝超高時間分辨率的原子電影將成為現實。
在高能量密度物態粒子加速方面，課題組成員陳敏教授通過理論分析和大規模數值模擬研究高中物理能量轉化，提出了一種新型激光等離子體尾流加速級聯方案，有望顯著提高級聯耦合效率。 ，提供了產生高于 1011 電子伏特的高能電子束的可能性。
在高能密度物質演化方面，課題組成員在神光二號實驗平臺上的研究揭示了新的磁重聯特性，驗證了歐洲航天局衛星的觀測結果。 此外，課題組成員盛正明教授等人還對太陽中的磁湍流進行了研究，解釋了相對論性強激光與固體目標相互作用時產生的超強磁場和湍流。 這些研究為利用強激光研究天體高能密度態演化提供了新思路。
對于上述成果，張杰總結道：“懷著探索高能密度物理過程最本質的未知的夢想，堅持三位一體的研究，我們就能不斷發現高能密度的新奧秘——密度‘宇宙’。”
服務國家戰略需求
科研團隊在攀登科學高峰的同時，牢記服務國家戰略需求的使命。 在創新群體項目的支持下，科研團隊將多項研究成果轉化為國家重大科技任務等國家戰略需求。
整個創新群項目歷經九年、三期攻關，錢列甲教授等人研制的創新儀器“強激光脈沖超高對比度單次測量儀”已成功從設計構思、基礎研究、技術發明走向成功到工程應用。
用于探索極端高能量密度物理現象的超短超強激光，不僅要求脈沖峰值高達相對論光強，還要求背景光噪聲低至單光子水平，對比度更高超過10個數量級。 如何僅用單個脈沖一次性測量如此超高對比度的脈沖，是強激光領域的世界級難題。 張杰表示：“錢列嘉等人歷經十年努力，創造性地解決了這一世界級測量難題，實現了1013的超高對比度單次測量能力，比傳統測量高出3個數量級以上。國外報道的最好結果”。
更令人興奮的是，這款全球唯一實用化的超短超強激光脈沖對比度單次測量裝置已應用于我國擁有的所有超短超強激光裝置中，為我國的發展做出了不可或缺的貢獻。國家戰略科技。 貢獻。
此外，“MeV能量超快電子診斷系統”也已應用于我國激光聚變研究中的等離子體電場測量，可為解決激光聚變中激光等離子體不穩定的根源提供實驗證據。
“接力”培養“三劍客”人才
在創新小組項目連續三期結束時，張杰發現了一個有趣的現象。 “我們組成員的平均年齡并沒有增加9歲，而是和項目申請時相差無幾。” 原因在于研究團隊不斷吸引年輕人才加入。 創新群體項目不僅為他們從事基礎研究提供了寬松的條件和創新環境，也為構建科研團隊人才梯隊提供了可能。
“人才是第一要務。” 張杰強調。
2011年9月29日，張杰前往勞倫斯伯克利國家實驗室和加州大學伯克利分校，邀請科研成果突出的青年科學家陳敏加入團隊。 “我告訴他國家非常重視基礎研究，我們急需優秀人才進行前沿探索。” 張杰一邊告訴陳敏，一邊腦海中浮現出多年前的類似場景。
早在1997年，當張杰還在英國盧瑟福實驗室工作時，他就已經是高能量密度物理研究領域的知名青年學者。 時任國家自然科學基金委員會主任張存浩訪問英國并會見了張杰。 “他說，國家的發展急需各方面的科技創新，急需年輕人才，他的話讓我感觸很深。” 張杰向中國科學報回憶。
在國家自然科學基金“所長基金”和杰出青年基金的支持下高中物理能量轉化，張杰、魏志毅等同事建成了國內首臺太瓦級飛秒激光裝置和首批實驗診斷設備，并取得了一系列的成就。 該成果得到了國際學術界的認可。 “現在，培養年輕人的接力棒就在我手里了。” 他說。
作為這個“三位一體”課題組中的“三劍客”，張杰、錢列嘉、盛正明引進和培養了一代又一代的“三劍客”，關心他們的生活和工作，引導他們規劃自己的個人夢想。國家。 總體呈快速發展態勢。
更重要的是，他們培養了一支年輕化的力量。 除了對研究生的系統培養外，張杰團隊還專門為上海交通大學致遠學院本科生提供思維訓練課程。 為了學好這門課程，張杰“聚集”組員物理資源網，以激光聚變實際研究內容為場景，用超高師生比培養學生主動探索科學前沿的思維方法。研究并創造新知識。
“我們希望在課堂上向本科生傳授多年科學研究形成的正確思維方式，讓他們真正學到研究性學習方法，成為未來的創新領袖。”張杰指出。
對極高能量密度物理學前沿的探索仍在繼續。 張杰相信，隨著他們研究的深入，高能量密度“宇宙”之謎的關鍵終將被發現。
《中國科學報》：如何產生高能量密度物理態？
張杰：我們用一個形象的比喻來說明我們正在研究的極高能量密度狀態：相當于把15艘遼寧艦疊起來，壓縮到拇指的面積產生的壓力，大約是1萬個大氣壓。 相應的高能量密度。 激光技術的突破使得研究高能量密度物理成為可能。
近年來，高能密度物理研究的快速進展，主要得益于將雷達中的啁啾脈沖放大（CPA）技術引入到激光領域，使激光強度在14年內提高了100萬倍。 在此基礎上，我們團隊成員錢列嘉教授等人將超短超強激光的放大能力提高了10倍，使得我們實驗室產生極高能量密度態成為可能。
《中國科學報》：高能量密度物理研究的基本方法有哪些？
張杰：高能量密度物理研究需要理論與數值模擬、超高時空分辨率實驗診斷技術、超短超強激光技術的緊密結合。 以我們的創新小組項目為例。 在理論和數值模擬提出新的概念和方向后，我們將激光技術與實驗診斷相結合，為驗證創造條件。 然后，我們進一步從實驗結果中發現新的物理定律并預測新的物理定律。 實驗結果。 只有重復這個過程，才能推進我們對高能量密度物理過程“螺旋”上升的理解。
《中國科學報》：根據您的判斷，未來10年高能密度物理研究的發展方向是什么？
張杰：高能量密度物理學研究高速運動的微觀物體的運動模式。 它涉及量子力學、相對論物理等跨學科應用的諸多挑戰。 狹義相對論適用于速度非常高的物體，而量子力學適用于溫度極低、運動速度很小的微觀物體。 因此，以集體效應為主的高能量密度態為我們發現新的物理定律提供了可能性。
高能量密度物理前沿的突破也依賴于超短超強激光技術的發展。 我們預測，未來10年，超短超強激光的聚焦功率密度將有可能增加到1021~1023瓦/平方厘米。 在這樣的光強下，未來10年的核心科學問題將以量子電動力學效應為核心的超相對論高能密度物理。 我誠摯邀請更多年輕科研人員抓住機遇，與我們一起享受探索高能量密度“宇宙”奧秘的樂趣。