精密測量物質原子內的電子運動，實現對亞原子尺度物理規律的理解，進而實時操控電子的動力學行為是人們追求的重要科學目標之一。由于核外電子的運動在阿秒量級(10-18 秒)，需要具有阿秒時間分辨的光脈沖充當閃光燈來拍攝電子運動快速變化的過程。利用泵浦-探測技術，阿秒光脈沖已經可以探測短至數十阿秒的超快電子動力學過程，并且能夠在亞原子尺度內實時控制電子的運動，例如原子內的電子電離、多電子俄歇衰變、電子激發弛豫和成像，分子的解離和控制，分子的振動和轉動，從而促進生命科學、化學合成和凝聚態物理的發展。

目前，實驗室中被廣泛用來產生阿秒光脈沖的是氣體高次諧波方法。當激光照射到惰性氣體，通過電離、電子加速和復合等三步過程可產生脈寬低至幾十阿秒的極紫外波段高次諧波。利用偏振門、振幅門、時間門和雙色場等選通方法，還可以從高次諧波的阿秒脈沖鏈中提取出孤立阿秒光脈沖。但由于氣體的電離閾值較低，驅動激光的強度被限制在1015 W/cm2，這也限制了輸出高次諧波的強度和光子能量，無法產生非線性光學效應，同時也導致光電測量的積分時間較長、信噪比較小，成為制約阿秒科學發展的瓶頸問題。目前，產生光子能量在硬X射線甚至γ射線波段的阿秒脈沖是阿秒科學的重要研究方向。

少周期渦旋激光驅動高亮孤立阿秒γ射線產生

近日，國防科技大學和上海交通大學聯合團隊通過大規模三維粒子模擬提出先利用少周期渦旋激光脈沖照射微雨滴靶獲得高品質旋轉阿秒電子片，再通過另一束反向激光脈沖的非線性湯姆遜散射來產生高亮的孤立阿秒γ射線。通過構建物理模型分析了激光強度閾值和載波包絡相位如何調控孤立阿秒電子片的產生，研究了相對論旋轉電子片的非線性湯姆遜散射過程，討論了驅動激光強度對γ光子能譜、峰值亮度、角動量傳遞和能量轉化效率的影響。三維粒子模擬表明，在合適的激光條件下，該方案可以產生脈寬為320 as、峰值亮度為9.3×1024 photons/s/mrad2/mm2/0.1%BW的孤立阿秒γ射線。同時，由于旋轉電子片的角動量傳遞，γ射線攜帶2.8×1016?的角動量，導致γ光子的角分布在峰值處發生了劈裂，這有可能為實驗上研究旋轉電子片的非線性湯姆遜散射提供依據。

成果發表在High Power Laser Science and Engineering 2024年第6期的文章(Li-Xiang Hu, Tong-Pu Yu, Yue Cao, Min Chen, De-Bin Zou, Yan Yin, Zheng-Ming Sheng, Fu-Qiu Shao, "Rotating attosecond electron sheets and ultra-brilliant multi-MeV γ-rays driven by intense laser pulses," High Power Laser Sci. Eng. 12, 06000e69 (2024))。

圖1給出了高亮孤立阿秒γ射線的產生過程。圖2給出了阿秒γ射線的密度、發散角、能量和亮度分布。根據經典的非線性湯姆遜散射理論，γ光子的密度、能量和亮度主要取決于電子的能量及其空間分布，這與模擬結果也保持一致。但是在本方案中，電子的角動量通過非線性湯姆遜散射隨著能量傳遞給γ光子，引起γ光子沿著逆時針方向旋轉，這導致γ射線的角分布在Φ=0和Φ=180°處出現了劈裂。這種獨特的角分布也為實驗上判斷非線性湯姆遜散射過程中γ光子是否攜帶角動量提供了新的信號。

圖1 高亮孤立阿秒γ射線產生過程示意圖

圖2 阿秒γ射線的密度、發散角、能量和亮度分布圖

總結與展望

目前，實驗上已經獲得了峰值強度高達1.2×1020 W/cm2的強渦旋激光。結合超寬帶脈沖壓縮光柵技術，可以提供本方案所需的激光條件。由于在實驗室中能以10~500 kHz的頻率產生雨滴靶，利用此方案預期可以高重頻地產生孤立阿秒γ射線，整個過程類似于激光照射錫金屬液滴產生光刻機所需的EUV光源。相關工作有望為基于當前百太瓦或拍瓦激光裝置開展孤立阿秒γ射線產生的實驗研究提供理論依據。