科学家们利用对超快激光器的精确控制，在20厘米的范围内将电子加速到通常需要10个足球场大小的粒子加速器才能达到的速度。

一个由马里兰大学和科罗拉多州立大学物理学家们组成的研究团队，使用两个激光脉冲通过氢气喷射实现了这一壮举。第一个脉冲撕裂了氢气，在其身上打了一个洞，形成了一个等离子体通道。该通道引导第二个更高功率的脉冲，将电子从等离子体中舀出，并在其后面拖动它们，在这个过程中将它们加速到接近光速。

如图所示，其中一个激光脉冲（红色）驱动一个等离子体波，在其后面加速电子。明亮的黄点是电子浓度最高的区域。在一次实验中，科学家们利用这一技术在短短20厘米的范围内将电子加速到接近光速。

通过这项技术，研究小组将电子加速到了像SLAC美国国家加速器实验室的加速器所达到的能量的近40%，然而SLAC加速器是一个长达一公里的直线加速器相干光源（LCLS）的大型设施。

SLAC美国国家加速器实验室

研究人员说，"这是第一个完全由激光驱动的多吉伏（注：1GeV，吉电子伏，为十亿电子伏特）电子加速器，""而且随着激光器越来越便宜，效率越来越高，我们预计我们的技术将成为该领域研究的发展方向。"

激励这项新工作的是像LCLS这样的加速器，它是一条长达一公里的跑道，可以将电子加速到亿电子伏特，以99.%的光速运动的电子能量。LCLS的前身体现的是三个关于基本粒子的诺贝尔奖。现在，原加速器的三分之一已被转换为LCLS，利用其超快的电子来产生世界上最强大的X射线激光束。科学家们利用这些X射线来窥视原子和分子的内部活动，创造出化学反应。这些是药物发现、优化能源储存、电子学创新等方面的重要工具。

直线加速器相干光源

将电子加速到几十GeV的能量不是一件容易的事。SLAC的直线加速器利用在一系列很长的分段金属管中，传播的强大电场给电子提供它们需要的推动力。如果电场再强大一些，就会在管子里引发闪电风暴并严重损坏它们。由于无法更有力地推动电子，研究人员选择了简单地将它们推动更长的时间，为粒子提供更多的跑道来加速。因此，在加利福尼亚北部有一公里长的切面。为了将这项技术带到一个更容易管理的规模，该研究团队利用光本身，足够合适地，将电子提升到接近光速的速度。

研究人员表示说，"最终的目标是将GeV级的电子加速器缩小到一个大小适中的房间，""你却在使用达一公里规模的设备，并且你有另一个倍的加速场。因此，你正在将千米级的设备减缩到米级，这就是这项技术的目标。"

在实验室中创造这些更强的加速场，采用了一个叫做激光尾流场加速的过程，在这个过程中，一个紧密聚焦的强烈激光脉冲被送过等离子体，产生干扰并在其后面拉动电子。

马里兰大学物理学博士后研究员、论文第一作者之一、苗博（BoMiao，音译）说，"你可以把激光脉冲想象成一条船，""当激光脉冲在等离子体中旅行时，由于它是如此强烈，它将电子从其路径上推开，就像水被船头推开一样。这些电子绕过小船，聚集在它的后面，在脉冲的尾流中行驶。"

激光尾流场加速首次在年被提出，在年被证明。但是它能够加速电子的距离一直被限制在几厘米之内。使得该团队能够比以往更有效地利用激光尾流场加速的是该团队开创的一项技术，以驯服高能光束，使其能量不至于扩散得。他们的技术在等离子体上打了一个洞，形成一个波导，使光束的能量集中。

研究人员解释说，"波导允许脉冲在更远的距离上传播，""我们需要使用等离子体，因为这些脉冲是如此高的能量，它们是如此明亮，它们会破坏传统的光纤电缆。等离子体不能被破坏，因为在某种意义上它已经被破坏了。"

他们的技术从稀薄的空气中创造出类似于光缆的东西，即传输光纤互联网服务和其他电信信号的东西。或者，更准确地说，从精心雕琢的氢气喷流中产生。

传统的光纤波导由两部分组成：一个引导光线的中央"芯"，以及一个防止光线泄漏的周围"包层"。为了制造他们的等离子体波导，该团队使用了一个额外的激光束和氢气的喷射。当这个额外的"引导"激光穿过喷射器时，它将电子从氢原子上拉下来，并形成一个等离子体通道。等离子体很热，并迅速开始膨胀，形成一个密度较低的等离子体"核心"，并在其边缘形成密度较高的气体，就像一个圆柱形外壳。然后，主激光束（将在其后方聚集电子的那个）被送过这个通道。这个脉冲的最前缘将高密度的外壳也变成了等离子体，形成了"包层"。

研究人员说，"这有点像第一个脉冲清除了一个区域，""然后高强度的脉冲下来，就像一列火车，有人站在前面，在它行驶的时候扔下铁轨。"

使用该研究的光学生成等离子体波导技术，结合该团队的高功率激光和专业知识，研究人员能够将一些电子加速到惊人的5GeV。在该新研究中，每GeV的加速所使用的激光能量是一个记录，并且该团队说他们的技术更加通用：它有可能每秒产生数千次电子爆发（而不是大约每秒一次），这使得它成为一种有前途的技术，可用于许多应用，从高能物理学到产生X射线，可以像在劳伦斯伯克利实验室那样拍摄分子和原子的活动视频。现在，该团队已经证明了该方法的成功，他们计划完善该装置以提高性能，并将加速提高到更高的能量。

苗说，"现在，电子是沿着波导的整个长度产生的，有20厘米长，这使得它们的能量分布不是很理想，""我们可以改进设计，以便我们可以控制它们被精确注入的位置，然后我们可以更好地控制加速电子束的质量。"

虽然在桌面上的直线加速器相干光源的梦想还没有成为现实，但这项研究显示了一条前进的道路。"从现在到那时有很多工程和科学要做，研究人员说。"传统的加速器产生高度可重复的光束，所有的电子都具有类似的能量，并在同一方向上运行。我们仍在学习如何在多吉伏激光加速器中改进这些光束属性。同样可能的是，为了达到几十GeV的能量，我们将需要对多个激波加速器进行分级，将加速后的电子从一个阶段传递到下一个阶段，同时保持光束质量。"

该论文发表在最近的《物理评论X》杂志上。

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