創新群體(ti) 項目成員合影，左六為(wei) 張傑。

■本報記者 甘曉

宇宙中絕大多數物質均處於(yu) 高能量密度等離子體(ti) 狀態，而像地球一樣存在物質固液氣三相的地方卻極其罕見。因此，科學家夢寐以求的願望是在地球實驗室裏“複製”高能量密度的“宇宙”，以便探索它的奧秘。為(wei) 此，從(cong) 超短超強激光技術、超高時空分辨實驗診斷技術以及複雜的理論與(yu) 數值模擬等三個(ge) 維度進行“三位一體(ti) ”研究是必須的。

中國科學院院士張傑帶領的“高能量密度物理若幹前沿問題研究”創新研究群體(ti) 就是這樣的“三位一體(ti) ”研究團隊。在連續三期國家自然科學基金創新研究群體(ti) 項目（以下簡稱創新群體(ti) 項目）的支持下，該科研團隊在對高能量密度物理奧秘的探索中，取得了一批國際領先水平的研究成果。

基礎研究最需要夢想

上海交通大學激光等離子體(ti) 教育部重點實驗室是張傑和研究團隊的大本營。在這裏，“夢想”是使用頻率最高的關(guan) 鍵詞。“探索高能量密度物理世界的奧秘，最需要的是夢想。”張傑告訴《中國科學報》。

新的物理規律和現象，總是在人類探索最極端條件下的物質狀態時被發現。挑戰高能量密度物理的極限、探索高能量密度“宇宙”中的奧秘，正是張傑研究團隊的夢想。

想要在地球上產(chan) 生極端高能量密度狀態並對其中的奧秘進行創新研究，就必須想辦法將盡可能大的能量匯聚在極小的時空尺度，這就需要挑戰超短超強激光的極限，挑戰高時空分辨測量的極限，挑戰人類認知的極限。

美國羅切斯特大學的Gerard Mourou和Donna Strickland1985年發明的超短脈衝(chong) “啁啾脈衝(chong) 放大”（CPA）技術將超短超強激光的輸出功率提升了100萬(wan) 倍，使得在大學實驗室創造高能量密度物理狀態成為(wei) 可能，他們(men) 也因此獲得2018年度的諾貝爾物理學獎。在創新群體(ti) 項目支持下，錢列加教授等群體(ti) 成員提出了“準參量啁啾脈衝(chong) 放大”（QPCPA）的新方案，打破CPA技術的放大極限，將超短超強激光的放大能力又提高了10倍，創造了新的世界紀錄，有望將單束超短超強激光推進到前所未有的1017瓦的極端超高功率區域。

群體(ti) 成員向導教授在超快電子衍射方麵取得重要突破。他們(men) 將加速器領域的雙偏轉消色差技術與(yu) 激光領域啁啾脈衝(chong) 放大壓縮技術結合，將超快電子衍射的時間分辨率提高到優(you) 於(yu) 50飛秒，把美國同行保持多年的分辨率世界紀錄提高了近3倍。這意味著，拍攝超高時間分辨率的原子電影將成為(wei) 現實。

在高能量密度物態下的粒子加速方麵，群體(ti) 成員陳民教授通過理論分析和大規模數值模擬研究，提出了一種全新的激光等離子體(ti) 尾波加速級聯方案，有望大幅提升級聯耦合效率，為(wei) 產(chan) 生1011電子伏以上的高能電子束提供了可能。

在高能量密度物態演化方麵，群體(ti) 成員在神光II實驗平台上的研究揭示了全新的磁重聯特征，驗證了歐洲太空總署衛星的觀察結果。此外，群體(ti) 成員盛政明教授等還研究了太陽內(nei) 磁湍流，解釋了相對論強激光與(yu) 固體(ti) 靶作用中的超強磁場以及湍流產(chan) 生。這些研究為(wei) 利用強激光研究天體(ti) 高能量密度狀態的演化提供了全新思路。

對於(yu) 上述成果，張傑總結道：“以探索高能量密度物理過程最本質的未知為(wei) 夢想，鍥而不舍地三位一體(ti) 攻關(guan) ，才能不斷發現高能量密度‘宇宙’中的新奧秘。”

服務國家戰略需求

攀登科學高峰的同時，科研團隊牢記服務國家戰略需求的使命。在創新群體(ti) 項目支持下，科研團隊將多個(ge) 研究成果轉化應用於(yu) 國家科技重大專(zhuan) 項任務等國家戰略需求。

曆經9年，貫穿整個(ge) 創新群體(ti) 項目的三期研究，錢列加教授等研製的創新儀(yi) 器“強激光脈衝(chong) 超高對比度單次測量儀(yi) ”從(cong) 設計構思、基礎研究、技術發明成功走向工程應用。

用於(yu) 探索極端高能量密度物理現象的超短超強激光不僅(jin) 需要具有高達相對論光強的脈衝(chong) 峰值，而且還要求背景光噪聲低至單光子水平，兩(liang) 者的對比度反差超過10個(ge) 數量級。如何僅(jin) 用單個(ge) 脈衝(chong) 一次性測量這種超高對比度脈衝(chong) 是強激光領域的世界級難題。張傑表示：“錢列加等人十年磨一劍，創造性地解決(jue) 了這個(ge) 世界級測量難題，實現了1013的超高對比度單發次測量能力，高於(yu) 國外報道最好結果3個(ge) 數量級以上。”

更令人振奮的是，這個(ge) 國際上唯一實用化的超短超強激光脈衝(chong) 對比度單發次測量裝置，已經應用於(yu) 我國擁有的全部超短超強激光裝置，為(wei) 我國戰略科技作出了不可或缺的貢獻。

此外，“MeV能量超快電子診斷係統”也已應用於(yu) 我國激光聚變研究的等離子體(ti) 電場測量，可為(wei) 解決(jue) 激光聚變中激光等離子體(ti) 不穩定性的來源問題提供實驗證據。

“接力”培養(yang) “三劍客”人才

在連續三期創新群體(ti) 項目結題時，張傑發現一個(ge) 有意思的現象。“我們(men) 群體(ti) 成員的平均年齡並沒有增加9歲，而是與(yu) 項目申請時差不多。”原因就在於(yu) ，研究團隊不斷吸納年輕人才加入。創新群體(ti) 項目不僅(jin) 為(wei) 他們(men) 從(cong) 事基礎研究提供了寬鬆條件與(yu) 創新環境，更使研究團隊的人才梯隊建設成為(wei) 可能。

“人才是頭等大事。”張傑強調。

2011年9月29日，張傑前往美國勞倫(lun) 斯伯克利國家實驗室和加州大學伯克利分校邀請科研成績突出的青年科學家陳民加入團隊。“我向他講了國家對基礎研究的重視，我們(men) 的前沿探索急需優(you) 秀人才。”張傑一邊對陳民說，腦海裏一邊浮現出多年前的一個(ge) 類似場景。

時間倒回到1997年，張傑還在英國盧瑟福實驗室工作時，就已經是高能量密度物理研究領域知名的青年學者。當時的國家自然科學基金委主任張存浩赴英國訪問見到張傑。“他說國家發展急需各方麵的科技創新，急需青年人才，他的話深深打動了我。”張傑向《中國科學報》回憶道。

在國家自然科學基金委“委主任基金”和傑出青年基金的支持下，張傑與(yu) 魏誌義(yi) 等同事建成了國內(nei) 第一台太瓦級飛秒激光裝置和第一批實驗診斷設備，並取得了一係列成果，得到了國際學術界的認可。“現在，培養(yang) 年輕人的接力棒交到了我的手裏。”他說。

張傑、錢列加、盛政明作為(wei) 這個(ge) “三位一體(ti) ”研究團隊中的“三劍客”，引進和培養(yang) 了一代又一代的“三劍客”，關(guan) 心他們(men) 的生活、工作，引導他們(men) 將個(ge) 人夢想規劃在國家快速發展的大局中。

更重要的是，他們(men) 培養(yang) 了一支更加年輕的生力軍(jun) 。除了對研究生的係統培養(yang) 外，張傑團隊還專(zhuan) 門在上海交通大學致遠學院為(wei) 本科大三學生開設思維訓練課程。為(wei) 上好這門課，張傑“集齊”了群體(ti) 成員，以激光聚變的實際研究內(nei) 容為(wei) 場景，以超高的師生比例，手把手培養(yang) 學生主動探究科研前沿、創造新星空体育官网入口网站的思維方法。

“我們(men) 希望在課堂上把多年科研生涯形成的正確思維方式傳(chuan) 授給本科生，讓他們(men) 真正學會(hui) 研究型的學習(xi) 方法，成為(wei) 未來的創新型領軍(jun) 人才。”張傑指出。

對極端高能量密度物理前沿的探索仍然在繼續。張傑相信，隨著他們(men) 研究的深入，打開高能量密度“宇宙”奧秘的鑰匙終會(hui) 被發現。

《中國科學報》：如何產(chan) 生高能量密度物理狀態？

張傑：用一個(ge) 形象的比方來說明我們(men) 所研究的極端高能量密度狀態：相當於(yu) 15艘遼寧艦摞起來，壓縮到大拇指的麵積上所產(chan) 生的壓強，也就是大約1百萬(wan) 大氣壓的壓強下所對應的高能量密度。激光技術的突破為(wei) 高能量密度物理的研究提供了可能。

近年來，高能量密度物理研究取得快速進展的原因主要得益於(yu) 雷達中的啁啾脈衝(chong) 放大（CPA）技術引入到了激光領域，使激光強度在14年的時間內(nei) 提高了100萬(wan) 倍。而我們(men) 團隊成員錢列加教授等人在此基礎上，將超短超強激光的放大能力又提高了10倍，這才使在我們(men) 實驗室產(chan) 生極端高能量密度狀態成為(wei) 可能。

《中國科學報》：高能量密度物理研究的基本方法是什麽(me) ？

張傑：高能量密度物理研究需要將理論和數值模擬、超高的時空分辨實驗診斷技術以及超短超強激光技術三個(ge) 方麵緊密結合。以我們(men) 創新群體(ti) 項目為(wei) 例，在理論和數值模擬提出新的概念和方向後，將激光技術和實驗診斷結合在一起創造條件去驗證，然後，從(cong) 實驗結果中進一步發現新的物理規律，預言新的實驗結果。這樣的過程反複進行，才能推動我們(men) 對高能量密度物理過程“螺旋式”上升的認識。

《中國科學報》：根據您的判斷，未來10年，高能量密度物理研究的發展方向是什麽(me) ？

張傑：高能量密度物理研究運動速度非常高的微觀物體(ti) 運動規律，它涉及量子力學和相對論物理等交叉學科應用的很多挑戰。狹義(yi) 相對論適用於(yu) 速度非常高的物體(ti) ，而量子力學適用範圍則是溫度極低、運動速度很小的微觀物體(ti) 。因此，以集體(ti) 效應為(wei) 主的高能量密度狀態為(wei) 我們(men) 發現新物理規律提供了可能。

高能量密度物理前沿突破還要依賴於(yu) 超短超強激光技術的發展。我們(men) 預計，未來10年裏，超短超強激光的聚焦功率密度將有可能提高到1021~1023瓦每平方厘米。在這樣的光強下，未來10年的核心科學問題將是以量子電動力學效應為(wei) 核心的超相對論高能量密度物理。我真誠地邀請更多年輕科研工作者抓住機遇，與(yu) 我們(men) 一起享受在高能量密度“宇宙”中探索奧秘的快樂(le) 。