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專訪|張傑院士:追逐激光,從“人造太陽”到微觀世界探索


澎湃新聞澎湃新聞澎湃新聞官方帳號,優質財經領域創作者激光,是人類最偉大的發明之一,被認為是“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。這道光焦...

- 2021年10月15日21時55分
- 科學文摘 / 澎湃新聞

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澎湃新聞官方帳號,優質財經領域創作者

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

2021年的未來科學大獎如約而至,其中的物質科學獎頒給了上海交通大學/中科院物理所張傑院士,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,並將其應用於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。

何為激光核聚變的快點火研究?超高時空分辨高能電子衍射成像意味著什麼?日前,張傑從繁忙的科研工作中專門抽出時間,接受澎湃新聞(www.thepaper.cn)專訪,解讀獲獎成果的科學意義,並對年輕科研人員的未來發展提出建議。

張傑院士張傑說,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,比如微觀世界的結構與功能。激光具有極好的方向性、相幹性和偏振等特點,因此,激光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。一方面,高能電子束可以將其攜帶的能量精准地輸運到預先壓縮的聚變燃料中,實現快速加熱,引發核聚變反應。核聚變能由於其燃料來自海水、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。張傑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。

1飛秒等於1000萬億分之一秒,在張傑團隊之前,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了。”張傑打了個比方,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。

從上世紀九十年代以來,對激光焦點下微觀世界前沿的不斷探索與發現,讓張傑著迷了30多年。9月12日,在接到未來科學大獎物質科學獎獲獎通知的那一刻,他正在與團隊成員一起開會,對剛結束的夏季實驗進行總結。

“我不太贊成將學習和科學研究比喻作‘學海無涯苦做舟’的苦行僧文化。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快樂。”對於年輕科研人員和學生,張傑給出了他的建議。

很多時候,我們過分強調了科學研究的枯燥,其實探索自然界奧秘的好奇心和解決難題的滿足感是對科學家探索最大的激勵。“我們科學探索的回報就是發現的樂趣和好奇心的滿足,我們認為這要比美食、遊戲或其它娛樂活動所產生的多巴胺要強得多。”張傑開玩笑說。

實驗室裏的“人造太陽”:可控核聚變的兩條研究路都走到了門檻

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。張傑介紹,太陽每秒放出的能量約為3.9×10^26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,就能擺脫目前地球的能源與環境危機的困擾。

可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。據估測,1升海水中提取出的氘若完全參與聚變反應,放出的能量相當於300升汽油燃燒釋放的能量。而氚又名超重氫,半衰期12年,它與氘之間的聚變反應相對起來最容易。

張傑介紹,一立方公裏海水所含的氘經過聚變反應產生的能量就相當於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。但人類若想要在地球上成功實現受控熱核聚變反應,從而獲得巨大能量,就必須創造以下三個必要條件。

一是極高的溫度,以使氘氚燃料成為超過1億攝氏度的熱等離子體;二是極高的密度,以使氘氚原子核發生量子隧穿的概率變大,而且便於將聚變產生的阿爾法粒子能量留下來繼續參與核聚變反應;三是等離子體在有限的空間裏被約束足夠長時間。

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。

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)

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)。占地面積有三個足球場那麼大的NIF采用傳統的中心點火激光核聚變方案。NIF從2010年開始正式的點火實驗,在今年8月8日的一個發次中已經接近核聚變反應輸出能量與輸入能量的平衡點。

我國的神光激光裝置激光核聚變由燃料壓縮和加熱兩個階段組成。張傑告訴澎湃新聞(www.thepaper.cn),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涉及極其複雜的非線性物理過程。他認為這種方案可以作為受控激光核聚變過程的研究方案,但是由於效率不高,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。比如張傑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,並通過精確調控的超短脈沖高能電子束對壓縮後的燃料進行快速點火,降低物理上的不穩定性,同時提高激光能量到點火能量的效率。

其中對超短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,張傑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,並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激光裝置,目前我們的方案已經完成了6輪實驗,並取得了不小的進展。”

神光二號升級激光裝置是我國自主研制的大型激光裝置。張傑對澎湃新聞(www.thepaper.cn)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,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,為快點火方案的實現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3.5MeV(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。”張傑說,如今這兩種核聚變的研究道路都“走到了門檻”:核聚變輸出的能量和輸入的能量達到平衡點,下一步要朝輸出能量大於輸入能量百倍的裏程碑目標繼續努力。

當聚變反應的輸出能量大於輸入能量百倍時就可以探索建立商用電站了。如果聚變能源能夠早日實現,將是人類社會可持續發展的根本保證。“有一種說法認為我們做核聚變的人永遠說實現聚變還有50年,但我覺得這一次我們的時間不會再往後推了,因為我們真的已經來到了門檻。”張傑說。

超短脈沖電子衍射與成像:進入50飛秒的超快“亞埃”原子世界

物理科學家主要探索兩類問題,第一類是制約人類社會進一步發展的瓶頸性難題,第二類則是自然界中最難以理解的奧秘,比如微觀世界的結構與功能。

如果說上個世紀主要的科學發現大都與物質微觀世界的空間結構有關,在這個世紀,人類更希望在了解物質微觀結構的基礎上,深入理解物質微觀世界的功能,也就是物質微觀結構隨時間快速變化的動力學過程,這就需要同時具有超高的空間分辨能力與超高的時間分辨能力。

電子顯微鏡具有超高的空間分辨能力,但是沒有超高的時間分辨能力,因此只能探測靜態的物質微觀世界的空間結構。

“任何物質的原子其實在不停地快速運動,所以對微觀時間中原子的觀察,就需要在超高空間分辨能力的基礎上再加上超高的時間分辨能力。我們做的事情就是把電子顯微技術的超高空間分辨能力與超快光學技術中超高的時間分辨能力結合在一起,這樣就可以研究以前我們認為是靜止的,但其實在時間上一直在演化的微觀世界的超快動力學過程。”張傑告訴澎湃新聞(www.thepaper.cn)。

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。埃是長度單位,1埃等於百億分之一米,而亞埃則是比埃更小的尺度。他們還將裝置的時間分辨能力提高到創紀錄的50飛秒,而1飛秒等於1000萬億分之一秒,此前國際最好水平是150飛秒。

“微觀物質世界中的許多超快物理與化學過程都發生在100飛秒左右的時間尺度,所以當我們的裝置同時具有了亞埃級的空間分辨能力和50飛秒的時間分辨能力,就意味著只有我們可以在原子尺度上看清楚這些超快的動力學過程。”張傑打了個比方,就像對高速運動物體的攝影,不管運動速度有多快,只要相機快門的速度更快,就可以清晰成像。

高性能時間分辨角分辨光電子能譜儀及兆伏特超快電子衍射裝置利用這台裝置,張傑團隊與合作者成功地實現了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。“在對微觀物質世界的超快動力學過程觀察方面,人類的夢想之一就是希望能夠制作單分子運動的電影。”比如,盡管我們可以寫出二氧化碳分子的化學公式,但卻沒有直接觀察過二氧化碳單分子究竟長什麼模樣、二氧化碳分子如何運動。

張傑說,物理學家的責任就是直接看到單分子圖像,並將單分子運動的圖像拍攝下來,以便深入研究。“我們先用一串飛秒激光脈沖將二氧化碳分子排好隊,接下來用超短脈沖高能電子束觀察排好隊的二氧化碳分子,就可以把二氧化碳分子在不同時刻的位置和結構全看清楚了,然後將不同時刻的圖像排列起來,就可以形成單分子電影了。”

對於未來,在超高時空分辨的電子衍射和成像方面,張傑說,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。50飛秒的時間分辨能力可以讓我們看清楚原子的運動過程,如果實現1飛秒量級的時間分辨能力,人類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。

“物理學家的責任,不但是要看得見,還需要獲得關於單分子如何組成,為什麼會這樣運動的規律性認識。”此時的張傑,眼中閃爍著興奮。

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