SLAC刚刚发射了历史上最强烈的亚微米电子束

科学家们小心翼翼地定位激光器，将数十亿电子压缩在一起，产生比以往任何时候都强大五倍的光束。

SLAC的研究人员创造了一个峰值电流破纪录的超短电子束，达到了加速器物理学的一个重要里程碑：比以前产生的任何东西都要大5倍。通过掌握基于激光的技术，他们将电子压缩到一个非常小的空间，同时保持光束质量，克服了该领域长期存在的挑战。这一突破为探索量子物理、材料科学和天体物理学中的现象提供了前所未有的精度，包括在实验室中重建星状细丝。激光束的能量和多功能性已经引发了新的研究，并推动了实验物理学的极限。

电子束能量的巨大飞跃

SLAC国家加速器实验室的科学家们创造了一种超短电子束，其峰值电流是地球上任何同类电子束的五倍。

发表在《物理评论快报》上的一篇论文详细介绍了这一突破，解决了粒子加速器和束流物理学的主要挑战之一：在不牺牲质量的情况下产生高功率电子束。它还为包括量子化学、天体物理学和材料科学在内的一系列领域的研究开辟了新的可能性。

“我们不仅可以创造如此强大的电子束，而且我们还能够以可定制和按需要的方式控制电子束，这意味着我们可以探测到比以往更广泛的物理和化学现象，”能源部SLAC国家加速器实验室的研究员克劳迪奥·艾玛（Claudio Emma）说，他是SLAC高级加速器实验测试设施（FACET-II）的研究员，也是这项新研究的主要作者。

权力平衡

正如加速器和束流物理路线图（2022）所强调的那样，该领域的长期目标之一是开发既强大又精确控制的电子束。到目前为止，增加光束的功率往往意味着降低其质量，这种权衡限制了许多先进实验的进展。

传统上，微波场被用来压缩和聚焦电子束。电场内的电子是交错的，所以后面的电子比前面的电子拥有更多的能量。艾玛解释说，这有点像运动员在田径比赛开始时摇摇晃晃的样子。“然后我们让它们绕一个弯，这样后面的电子就能赶上前面的电子，最后，一束电子聚集在一起，形成一束聚焦的光束。”

这种方法的问题是，当它们加速时，电子会发射辐射并失去能量，因此光束的质量会恶化。这就在光束能量和质量之间做出了权衡。艾玛说：“我们不能用传统的方法在亚微米尺度上压缩电子束，同时还能保持光束的质量。”

激光制胜

为了解决这个问题，SLAC的研究人员使用最初为X射线自由电子激光器（如SLAC的直线加速器相干光源（LCLS））开发的激光整形技术，将数十亿个电子压缩成小于1微米的长度。艾玛说：“使用激光的最大优势是，我们可以应用比微波场更精确的能量调制。”

但这并不像在隧道里发射几束激光那么简单。艾玛说：“我们有一个一公里长的机器，激光在前10米与光束相互作用，所以你必须得到完全正确的形状，然后你必须在不失去调制的情况下将光束传输另一公里，你必须压缩它。”“所以这并不容易。”

经过几个月的测试和改进他们的激光成形技术，艾玛和他的团队现在可以反复产生高能量，飞秒持续时间，佩瓦峰值功率的电子束，比以前可以实现的电流高大约五倍。

改变游戏规则的科学工具

这种新的光束将使科学家能够探测一系列的自然现象，包括测试量子物理学、材料科学和天体物理学中的假设。

例如，在天体物理学中，这种光束可以被引导到固体或气体目标上，从而产生类似于在恒星中看到的灯丝。艾玛说：“科学家们知道这些细丝的存在，但现在我们可以在实验室里以前所未有的能力测试它们是如何发生和进化的。”

实际应用已经在进行中

FACET-II的研究人员抓住了更强大的光束，并已经将其应用于推进等离子尾流场技术。艾玛对进一步压缩这些光束以产生阿秒光脉冲的前景感到特别兴奋，这将进一步增强LCLS目前的阿秒能力，并推动更多开创性的科学。艾玛解释说：“如果你把光束作为一个快速相机，那么你也有一个非常短的光脉冲，现在你突然有了两个互补的探针。”“这是一种独特的能力，我们可以用它做很多事情。”

艾玛和他的同事们对这种新的电子束将带来的前景感到兴奋。“我们在FACET-II有一个非常令人兴奋和有趣的设施，人们可以来这里做实验，”他说。“如果你需要一个极端的光束，我们有适合你的工具，让我们一起努力。”

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