连续2篇顶级期刊！天河用户在超快光子束流研究取得重要进展

【导 读】

超快光子束流可通过对组成物质的原子、分子和电子等微观粒子进行超高时空分辨率的测量和控制，促进对物质相关的物理、化学、生物、医学等宏观过程的理解、控制和应用。而时间尺度在10^-18秒的阿秒光子束流，能够对电子进行实时探测和控制，为人类认识微观世界提供了全新手段，被认为是激光科学史上最重要的里程碑之一。世界先进国家都将阿秒科学列为未来10年激光科学最重要的发展方向。

北京大学物理学院乔宾教授团队与合作者多年来借助“天河二号”超强算力持续在激光学领域开展数值模拟研究，近期，该研究团队在强激光驱动的超快光子束流-阿秒脉冲辐射研究方面取得了重要进展，其在阿秒光子束流驱动激光控制和精密制靶方面的研究成果于3月份分别在国际物理学顶尖期刊《Physical Review Letters》和国际光学领域顶级期刊《Optica》上成功发表。

正如激光的发明引起了光学领域一场巨大的革命一样，超短脉冲激光的产生使人类探索许多未知领域及发现新物理规律的梦想成为现实。自然界中存在着许多以前受测量手段的时间分辨率限制而无法认识的超快现象。在此背景下，阿秒脉冲的产生和应用成为了人们奋斗的新目标，阿秒时代正在悄悄地向我们走来。阿秒脉冲辐射主要是利用低功率的弱激光驱动惰性气体通过电离-加速-复合过程产生的高次谐波来获得，但此种方式最大难题之一是由于离化阈值限制阿秒脉冲的亮度非常低。强激光与物质相互作用驱动产生高次谐波的方式是当前最有希望获得高亮超快阿秒光源的手段之一，有可能将相干阿秒光源的强度推进至相对论参数区域，光谱频率推进至X甚至伽玛波段。

作为国家超算广州中心的多年老用户，乔宾教授团队长期致力于强激光固体靶相互作用驱动阿秒X射线辐射源的研究，基于“天河二号”研发了国际先进的大规模并行数值模拟程序，并与中物院激光聚变研究中心合作在国际上率先在数拍瓦激光装置上开展了阿秒脉冲辐射的实验研究。近期，他们从驱动激光控制和精密制靶两个方面提出了强激光驱动产生高亮度孤立阿秒脉冲的物理和实验方案，这一方案提出的优质光源将有望实现对电子动力学行为的探测和控制，促进物理、化学、材料等学科的快速发展。

激光驱动源设计

在驱动激光控制方面，该研究团队发现当将双色光的的基频光成份和二倍频光成份的相位差控制为π、能量占比控制为0.1时，纳米靶中电子可在一个周期内被全部推出靶外，形成高密高能的纳米电子层，发生强相干同步辐射，不仅可同时在反射和透射方向产生孤立的阿秒脉冲光，而且脉冲强度是单色光作用下的近40倍。该工作近期以“Giant Isolated Attosecond Pulsesfrom Two-Color Laser-Plasma Interactions”为题发表在国际物理学顶尖期刊《物理评论快报》[Physical Review Letters 124, 114802 (2020)]。

双色激光与纳米薄靶相互作用产生孤立的高亮阿秒脉光的模型图

精密结构靶设计

在精密制靶方面，该研究团队提出了利用强激光和纳米电容器靶相互作用的创新物理方案。此方案中，当激光强度达到最大时，电容器快速充电，激光能量以静电能的形式存储在电容器靶中；后靶电子在激光电场和电容电场的双重加速下达到相对论能量，并被有效压缩至亚纳米宽度，实现keV波段的超宽频相干同步辐射；电容器完成放电后，相干谐波辐射过程也随之终止，实现了百太瓦级、X射线波段、数个阿秒宽度的孤立脉冲辐射。该工作近期在国际光学领域顶级期刊Optica[Optica 7,355 (2020)]上发表，题目为“Production of 100-Terawatt single attosecond X-ray pulse”。

强激光驱动电容器靶产生百太瓦孤立阿秒脉冲方案示意图

首选“天河二号”平台的优势

“高功率强激光和固体靶相互作用产生阿秒X射线辐射过程涉及到电磁场多尺度、多时标的非线性耦合，其数值模拟研究对时间精度和空间精度要求很高，计算量很大，因此需要依托稳定性好、计算速率高且存储容量大的计算平台。”已使用“天河二号”七年的乔宾教授介绍道，“广州超算是我们开展激光学领域数值模拟研究的首选平台，我们课题组的大部分工作都是在这个平台上完成的。也只有这样的大科学平台才能稳定保障该项工作顺利开展。”

以第二个工作为例，乔宾教授介绍，该课题组利用“天河二号”开展了多个二维模拟工作以证明该方案的可行性，每个工作都需要大量的计算资源和存储，正是超算的超高性能和超大容量支持保证了这个工作的顺利完成。乔宾教授介绍未来工作时讲道，“北京大学牵头拟申报建设的‘十四五’国家重大科技基础设施‘激光驱动多束流’项目中也将超快光子束流平台以及阿秒脉冲作为重要建设内容之一，相信未来‘天河二号’将继续在阿秒脉冲的产生和应用中发挥重要作用，为以上项目提供强大支撑。”

《Physical Review Letters》文章链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.114802

《Optica》文章链接：

https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-7-4-355#figanchor4

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整理&撰稿：岳苹

特别鸣谢：乔宾、徐新荣

微信编辑：岳苹

初审：王栋

审核：万园园

审核发布：李奈青