近日，中國科學院上海光機所超強激光科學與技術(shù)全國重點實驗室李儒新院士和田野研究員團隊，實現(xiàn)了基于超強超短激光精密調(diào)控等離子體的亞相對論量級無碰撞激波，激波速度達到光速的3%（約10⁷ m/s）。

團隊創(chuàng)新性地采用納秒時域雙脈沖強度參數(shù)的精密調(diào)控方法，利用該時域結(jié)構(gòu)型脈沖驅(qū)動等離子體，發(fā)現(xiàn)了自組織強磁場（最高值5000T）介導產(chǎn)生了亞相對論無碰撞激波，在受控條件下復現(xiàn)了激波速度相當?shù)你y河系最年輕超新星遺跡SNR G1.9+0.3的極端物理環(huán)境。相關工作以“Observation of sub-relativistic collisionless shock generation and breakout dynamics”為題，4月28日發(fā)表在國際期刊《自然通訊》雜志。

       相對論無碰撞沖擊波是當沖擊波傳播速度接近光速，且粒子間碰撞頻率極低時形成的極端物理現(xiàn)象。其能量耗散和粒子加速主要通過電磁場湍流、波-粒相互作用等非碰撞機制完成。這類沖擊波廣泛存在于宇宙高能現(xiàn)象中，同時也是實驗室高能物理的前沿研究對象。例如引力波（如LIGO探測的中子星并合事件）與電磁信號（伽馬射線、X射線）的多信使天文協(xié)同過程，可通過相對論沖擊波研究揭示能量釋放的時間延遲和譜特征。在激光聚變方案中，利用高能激光驅(qū)動的無碰撞沖擊波的研究，是提升靶丸壓縮對稱性，增強聚變點火效率的重要途徑。此外，實驗室生成的相對論沖擊波可模擬中子星表面或黑洞吸積盤附近的超強磁場與輻射場，用于測試航天器材料的極限性能。理解星際介質(zhì)中相對論沖擊波與物質(zhì)的相互作用，可優(yōu)化深空探測器防護設計，對抵御高能粒子和輻射損傷具有重要意義。

       超強激光可在實驗室內(nèi)部創(chuàng)造極端的物理環(huán)境，美國國家點火裝置[Nat. Phys. 16, 916–920 (2020)]，羅切斯特大學OMEGA[Nat. Phys. 11, 173–176 (2015)]等激光裝置上開展研究探索通過高能激光激發(fā)無碰撞激波的可能性，激波速度普遍在10⁴~10⁶ m/s量級。與相對論速度還有多個量級差異，相應領域亟待原理上探索演示。上海光機所團隊于2020年建設完成了上海超強超短激光實驗裝置（又名“羲和”激光裝置），利用超強超短激光在多參數(shù)空間維度來探索相對論量級無碰撞激波的產(chǎn)生成為了可能。

超強超短激光時域脈沖調(diào)控實現(xiàn)近相對論無碰撞激波示意圖

       2023年基金委“超強激光物理基礎科學中心”項目啟動，基于“羲和”激光裝置集群，團隊對前沿基礎科學多個目標陸續(xù)展開研究。團隊在前期發(fā)展了超快磁光探測方法診斷技術(shù)研究自組織強磁場的演化[Phys. Rev. Lett. 121, 255002 (2018)]。在本工作中研究團隊提出采用雙脈沖強激光組合序列來激發(fā)固體產(chǎn)生的膨脹等離子體，其中先導脈沖制熱靶材形成“星系介質(zhì)環(huán)境”，第二束主脈沖激發(fā)“離子流自組織過程”，研究發(fā)現(xiàn)當系統(tǒng)中離子誘導的自組織強磁場進入迅速增長階段時（最高強度達到了5000 T），強磁場中的離子在被散射、減速的過程中實現(xiàn)了磁場主導的無碰撞激波，激波速度達到光速的3%（約10⁷ m/s），和銀河系最重要超新星之一（SNR G1.9+0.3）的激波速度相當。工作被同期刊印的同行評價為“這是等離子體科學和工程領域的重大突破”，“這一現(xiàn)象與眾多天體物理學系統(tǒng)密切相關，包括伽馬射線暴、超新星爆發(fā)、千新星、坍縮星以及可能的中子星合并事件。研究結(jié)果極具說服力、創(chuàng)新性和關鍵性?！?/p>

       研究實現(xiàn)了對稠密等離子體復雜動力學過程的精密控制，首次在實驗室中復現(xiàn)了超新星遺跡激波的高能物理條件。這種磁場強度遠超常規(guī)實驗室水平，接近中子星表面或超新星激波前沿的極端磁場環(huán)境。通過產(chǎn)生與SNR G1.9+0.3相當?shù)募げㄋ俣龋瑸榻忉尦滦沁z跡中自組織強磁場主導的無碰撞激波的起源提供了實驗依據(jù)。為未來基于“羲和”激光裝置研究更復雜的天體現(xiàn)象如伽馬射線暴噴流、黑洞吸積盤、暗物質(zhì)湮滅信號等多尺度物理過程提供了技術(shù)藍圖，有望開辟“實驗室天體物理學”的新范式，推動強激光物理、等離子體物理和宇宙物理等領域的深度融合。

       中國科學院上海光機所白亞鋒副研究員為論文第一作者，李儒新院士和田野研究員為共同通訊作者，相關工作得到國家自然科學基金委基礎科學中心、國家杰出青年科學基金、中國科學院基礎研究青年團隊項目、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）以及基礎研究特區(qū)計劃（中國科學院上海分院）等支持。