最高電流和高峰值功率拍瓦級(jí)電子束問世

研究示意圖。圖片來源：物理學(xué)家組織網(wǎng)

美國(guó)斯坦福國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了有史以來最高電流、最高峰值功率的拍瓦級(jí)電子束。這束電子脈沖雖然持續(xù)時(shí)間僅千萬億分之一秒，卻攜帶10萬安培電流。這種拍瓦級(jí)電子束有望幫助科學(xué)家揭示真空本質(zhì)。相關(guān)論文發(fā)表于最新一期《物理評(píng)論快報(bào)》雜志。

團(tuán)隊(duì)此次在加速器內(nèi)發(fā)射了一條1毫米長(zhǎng)的電子束。這些電子通過真空腔室內(nèi)的無線電波獲得加速能量。然而，由于前面的電子處于無線電波波形較平緩區(qū)段，其獲得的能量低于后面的電子，導(dǎo)致“啁啾”現(xiàn)象。接著，團(tuán)隊(duì)使用磁鐵讓電子束向左、右、右、左快速偏轉(zhuǎn)，隨后回到原有路徑。低能電子由于偏轉(zhuǎn)幅度更大，行進(jìn)路徑更長(zhǎng)，使得后方高能電子得以趕上，實(shí)現(xiàn)從前到后壓縮電子束。

團(tuán)隊(duì)隨后添加了另一塊磁鐵，使電子束與光交換能量，“啁啾”現(xiàn)象更強(qiáng)烈。他們讓電子束在加速器內(nèi)往返多次，每次都會(huì)讓電子束功率更高，持續(xù)時(shí)間更短。這種反復(fù)的加速—壓縮循環(huán)最終產(chǎn)生了僅0.3微米長(zhǎng)的超強(qiáng)電子束，拍瓦級(jí)電子束因此誕生。

拍瓦級(jí)電子束有望在多個(gè)領(lǐng)域“大展拳腳”。例如，位于斯坦福國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的直線加速器相干光源，可以通過在波蕩器內(nèi)發(fā)射更短、更強(qiáng)大的電子束來使其變得更加明亮，為探測(cè)化學(xué)過程開辟全新道路。此外，超強(qiáng)電子束也可用于產(chǎn)生等離子體，例如以接近光速從某些恒星爆炸中發(fā)射出的物質(zhì)和輻射射流。

超強(qiáng)電子束還有望揭示真空本質(zhì)。如果這些電子束產(chǎn)生的電場(chǎng)足夠強(qiáng)大，可能會(huì)將粒子-反粒子對(duì)從真空中撕裂出來，這是量子物理學(xué)預(yù)測(cè)但從未觀察到的一種現(xiàn)象。團(tuán)隊(duì)計(jì)劃沖擊百萬安培級(jí)電子束，以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。