超强激光与固体靶作用驱动量子电动力学级联和稠密正电子产生的研究进展

极端超短超强激光脉冲的诞生将光与物质的相互作用推进到由辐射阻尼效应和量子电动力学(QED)效应占主导的高度非线性物理范畴。强场QED效应蕴含了丰富的物理过程包括辐射阻尼、高能伽马辐射、正负电子对产生、QED级联、真空极化等,是高能量密度物理和强场物理研究领域的前沿热点。QED级联是解释致密天体辐射和伽马射线暴形成的重要物理机制,其产生的稠密正电子源在高能物理、材料无损探测、癌症诊断等领域亦有重要的应用前景。介绍了QED级联过程及其理论模型,讨论了固体靶中的QED级联发展及其诱导的非线性物理效应,并回顾了固体靶中稠密正电子产生的主要研究成果。

《强激光与粒子束》“超强激光激发的强场量子电动力学”专栏征稿启事

近年来,随着激光放大技术的发展,激光器的功率已接近百拍瓦,在这样高强度激光场中,经典电动力学无法正确地描述包括辐射在内的许多物理现象,而需要用强场量子电动力学(Strong Field Quantum Electrodynamics,QED)来描述和研究等离子体与激光相互作用中发生的基本物理过程。强场QED作为描述极端强度电磁场中电磁相4作用的量子理论,是在QED的基础。上发展起来的。

西安交通大学在强场量子电动力学物理领域取得重要进展

近日,西安交大核科学与技术学院青年教师李彦霏与合作者采用全自旋分辨的蒙特卡洛数值模拟方法,研究了超短超强激光和相对论电子束的非线性Compton散射过程。研究发现,在圆偏振超强激光场中,由于电子瞬态辐射极化矢量与激光场矢量的相位匹配(同向或反向)关系以及电子反常磁矩导致的自旋旋转效应,经过多次散射过程累积后,散射电子出现了明显的纵向极化度,从而实现了从入射光子到散射电子间的螺旋度传递,且传递效率可高达10%。

基于腔量子电动力学的两原子远程态制备方案

提出了一个以两原子纠缠态和三原子W类纠缠态作为量子通道,在腔量子电动力学(QED)体系中实现两原子纠缠态的远程制备方案。借助于另一位接收者帮助,发送者通过控制原子与腔相互作用时间,可以概率地将被传送的两原子纠缠态远程制备到2位接收者中的任何一位的手中,而无需借助于辅助系统。

强场与级联型三能级原子相互作用中原子的偶极压缩效应

采用数值计算方法研究了强相干初态光场与级联型三能级原子相互作用中原子的偶极压缩效应 结果表明 :级联型三能级原子偶极算符的两个正交分量均呈现出周期性的压缩现象 ,原子存在偶极压缩 ,且压缩的最大深度比弱场作用情况下要深得多 ;随着 n值的不断增大 ,偶极算符两个正交分量的振荡频率随之增大 ,场与原子的非线性耦合越来越强 。

超强激光驱动的辐射反作用力效应与极化粒子加速

光强超过10~(22) W/cm~2的极端超强激光将光与物质的相互作用推进到辐射主导区域,激发高能伽马光子辐射,产生明显的辐射反作用力效应.辐射反作用力可以显著影响强场中带电粒子的动力学行为,并从根本上改变了极端强场区域的激光等离子体相互作用规律.如何理解和验证辐射反作用力效应是强场物理研究的核心内容之一.本文结合该方向的国内外研究进展,论述了辐射反作用力的经典形式与强场量子电动力学的理论计算与模拟方法,详细讨论了单粒子在强场中的反射、量子随机辐射、自旋-辐射耦合等效应,介绍了激光等离子体相互作用中的电子冷却、辐射俘获、高效伽马辐射等机制,并给出了目前辐射反作用力效应的实验验证方法与进展.针对自旋在强场量子电动力学方面的效应,介绍了激光加速产生极化粒子源的方法.

强场X射线激光物理

相干X光,特别是X射线自由电子激光技术的发展提供了一种新的产生超强光场的途径.由于其较高的光子能量、高峰值功率密度与超短的脉冲长度,有望将强场激光物理从可见光波段推进到X光波段.目前,基于X射线的非线性原子分子物理已取得了初步进展,随着X射线光强的提升,相互作用将进入相对论物理、强场量子电动力学(quantum electrodynamics,QED)物理等领域,为激光驱动加速与辐射、QED真空、暗物质的产生与探测等带来新的科学发现机会.本文对强场X射线激光在固体中的尾场加速、真空极化、轴子的产生与探测等方面进行介绍,旨在阐明X射线波段强场物理在若干基础前沿与关键应用方面的独特优势,并对未来的发展方向进行展望.

强激光场下化学反应的控制(英文)

简要阐述了强激光场下的ac Stark效应 ,回顾、评论了近年来利用ac Stark效应控制化学反应的几个典型实验和理论模型 .利用一维量子波包模型 ,揭示了NO分子Rydberg态在不同光强下获得不同布居是由于强光场下产生的ac Stark能移引起的 .并展望了利用ac

低频强场作用下三维光子晶体中单个二能级原子的自发辐射

控制受激原子的自发辐射是当前量子光学领域的一个重要课题。现有的研究表明 ,原子不同跃迁通道之间的量子干涉导致了新的光学现象 ,如无粒子数反转光放大 ,光谱变化 ,自发辐射相消等。Evers和Keitel提出了一种非常有效的方法 ,相当大地降低了一个二能级系统中上能态布居数的衰减 ;在他们的方法中 ,一个相干的强的低频场作用于单个二能级原子 ,此场的频率低于原子跃迁的整个衰减宽度 ,产生了由上能级到下能级原子态的不同衰减通道 ,从而导致自发辐射的量子干涉 ,显著地抑制了自发辐射。另一方面 :在光学和固体物理领域 ,光子晶体引起了人们很大的兴趣。它提供了改变和控制自发辐射的另外一种方法 ,关于处于光子晶体中的原子的自发辐射 ,已经发现了许多由于带隙的影响而产生的显著效应 :光子—原子束缚态的出现 ,自发辐射的相干控制 ,量子干涉效应的增强等。本文考虑了处于三维各向异性光子晶体中的单个二能级原子 ,若原子的跃迁频率接近带边频率 ,且存在一个相干的强的低频场作用于原子时 ,不同跃迁之间的量子干涉效应和光子晶体的带边效应对原子自发辐射的影响 ,并且讨论了原子布居数随时间的演化。首先我们通过系统模型和理论推导 ,给出了t时刻系统的态矢的解 ;然后通过数值计算及理论分析讨论了原子?

激光参数对非理想真空激光光强极限的影响

人类在实验室可实现的激光强度极限是强场量子电动力学(QED)的重要问题。在非理想真空条件下,极端超强激光与残留的电子相互作用触发伽马光子辐射与正负电子对产生的QED级联效应,从而显著消耗激光能量,大幅降低可实现的激光峰值强度。考虑到QED级联效应与激光偏振、焦斑尺寸、脉宽长度有着密切的关系,基于囊括QED过程的粒子网格模拟方法(Particle-in-cell, PIC)对上述参数的效应进行分析,同时构建了激光场演化的自洽方程来进行解释,二者结果基本保持一致,获得的强度极限在考虑的参数范围内为10^(26)~10^(27) W/cm^(-2)。结果表明,同等情形下,圆偏振激光可激发更强的QED级联,使得激光强度上限略低于线偏振。此外,紧聚焦激光由于QED级联发生的时空间尺度更小,从而激光的吸收效应被显著抑制,进而可以实现更强的聚焦强度。对于更长脉宽的激光,由于正负电子对吸收的能量区域更加弥散,使得可实现的激光强度上限阈值有所提升。但对于超短脉宽情形(如单周期),由于QED级联的种子源电子束不能很好地被约束在激光区域,理论分析耗散的激光能量偏高。此外,在高真空度的情形下,残余电子的随机性也会对可实现激光强度产生一定的影响。研究结果可为后续开展极端强场QED实验和数100 PW级超强超短激光装置建设提供指导。

相干场和信号场对四能级负折射率原子系统的影响

根据Thommen等人提出的四能级高密原子气体模型[20],应用强相干场,实现了电磁诱导左手效应并伴随着零吸收高折射率。同时,研究了外加相干场、信号场及失谐对左手效应的影响。结果发现,介质的介电常数和磁导率同时为负的频段(即双负频段)随着相干场和失谐的Rabi频率的增加而变宽;同时,随着相干场Rabi频率的增加,介质出现了零吸收,并且在零吸收点附近出现了高的负折射率。然而,信号场如果过大,相反地会增加吸收,并且双负频段也会减小。

基于激光等离子体的X/γ辐射研究进展

随着激光技术的不断发展,激光功率突破10 PW量级,激光与物质相互作用进入近量子电动力学(QED)范畴。从弱相对论激光到相对论激光再到强相对论激光,激光场与物质的耦合可以产生能量从keV到MeV甚至GeV的X/γ射线。这些辐射具有通量大、亮度高、能量高和脉宽短等特点,在核物理、高能量密度物理、天体物理等基础研究以及材料科学、成像、医学等领域具有广泛应用前景。系统梳理了近年来相对论强激光与气体、近临界密度等离子体及固体靶相互作用,通过诸如同步辐射、betatron和类betatron辐射、Thomson散射和非线性Compton散射过程等产生高能X/γ射线的最新研究进展,总结了各种方案产生的X/γ射线的品质因子和潜在应用,并为下一步基于强激光大科学装置的实验研究提供理论参考。

超强超快激光物理与前沿应用

超强超快激光的出现与迅速发展开辟了原子分子物理、强场物理、等离子体物理等学科的诸多前沿方向,促进了物质科学、生命科学和信息能源等领域的创新发展。以超强超快激光的强度为尺标,首先介绍强激光驱动的非线性原子分子物理,其次是更高光强下的超强激光与相对论等离子体物理,最后概述强场超快的交叉前沿应用。在每个领域的学科发展背景下,重点概述中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室长期深耕超强超快激光物理与前沿应用取得的系列进展与成果,主要包括小型化粒子加速与辐射、极端强场效应、高次谐波与阿秒物理、空气成丝与空气激光、超快激光加工、微纳激光技术等。

激光脉冲和电子束对撞准确度的测量方法

超强激光脉冲与相对论电子束相互对撞是当前主要的强场量子电动力学(QED)实验手段。如何测量超强激光脉冲和电子束对撞的准确度,进而实现微米精度的准确对撞,是目前限制实验发展的重要因素。利用蒙特卡罗数值模拟方法,系统研究了超强激光脉冲和相对论电子束相互对撞过程,重点关注了电子和辐射光子动力学信息与激光脉冲和电子束对撞偏移量之间的对应关系。研究发现:辐射光子的空间分布信息,可以有效反映出激光脉冲和电子束的对撞偏移量。基于该研究结果,实验中可利用光子空间分布的信息,实现对激光脉冲和电子束对撞准确度的调节,从而有望促进强场QED实验技术的发展。

核物质中的力学和化学不稳定性

用有效的手征模型和Brown Rho标度在相对论平均场近似下研究在有限温度下的核物质 ,再现了核物质的基本性质 ,计算热力学系统的力学和化学不稳定性 。