中科院院士张杰团队20年创新之路： 看准方向坚定前行
发布时间: 2021-12-21
中科院院士张杰团队20年创新之路：
看准方向坚定前行
来源： 中国科学报 韩扬眉
2019年6月底，张杰（第一排右三）与团队成员在神光二号升级实验现场。张杰团队供图
在物质世界中，科学家为了能够对物质微观结构和瞬态变化过程看得更清、更细、更准、更快，不断创造着新的技术手段。激光便是其中之一，激光是人类20世纪以来的重大发明之一，被誉为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”。
中科院院士、中科院物理研究所研究员张杰带领其研究团队经过20余年的努力，通过调控激光与物质的相互作用，产生了精确可控的超短脉冲高能电子束，并将其应用于激光核聚变的快点火研究和实现超高时空分辨高能电子衍射成像。而张杰，也因此贡献获得2021“未来科学大奖”物质科学奖。
超短与超强
推动物理学发展一般有两种模式：重大理论突破的引领和新手段、新方法带来的认知能力的提升。
2018年诺贝尔物理学奖的一半授予发明啁啾脉冲放大（CPA）技术的法国科学家杰哈·莫罗和加拿大科学家唐娜·斯特里克兰。CPA技术通过运用频率维度操控飞秒激光脉冲，创造性地解决了飞秒激光脉冲无法放大的物理问题，将激光强度提高了6个数量级以上，为基础科学、应用科学和前沿交叉学科的发展开拓了一片全新的领域。
飞秒时间有多短？举个例子，一般照相机快门的开启时间大约为百分之一秒，1飞秒只有1秒的一千万亿分之一，因此被称为“超短”或者“超快”，而利用CPA技术放大后的飞秒激光脉冲的聚焦强度已经达到1022W/cm2（每平方厘米1亿亿亿瓦）甚至更高，因此被称为“超强”。
“强激光创造了极端物理条件，拓宽了物理学的研究领域，研究以前完全无法研究的科学问题。”张杰团队成员、中科院物理研究所光物理重点实验室主任李玉同告诉《中国科学报》。
“过去，我们在研究微观物质世界时，往往以静态为主，但构成微观物质的原子等粒子其实都是处在运动状态的。”李玉同介绍，研究微观世界的动态过程就像拍照，只有相机“快门”的速度比运动速度更快，才能以拍出清晰的图像。
张杰团队研制的原子尺度高能电子衍射与成像装置，达到了亚埃级的超高空间分辨能力和50飞秒的超高时间分辨能力，可实现对凝聚态、生物、化学结构动力学过程的高时空分辨探测。这个时间分辨能力已经比现有的世界纪录提高了两倍多。
他们的下一个努力目标将是达到1飞秒量级的时间分辨能力，而这是又一个亟待跨越的门槛。
寻找人类终极能源
强激光应用前景广阔，包括激光核聚变、新型小型化粒子加速器、新型辐射源物理，以及天体物理过程等。
最受关注的莫过于激光核聚变了，它可以从根本上解决人类的能源问题。
张杰团队成员、中科院物理研究所研究员张喆告诉《中国科学报》，激光驱动的受控核聚变是人类产生清洁高效安全新能源的一个重要研究方向，由于其单位质量燃料释放能量的效率比化学能高1000万倍，因此被广泛认为是有效替代煤、石油等不可再生资源的一种未来终极能源选项。
同时，激光核聚变的原料氘大量存在于海水中。据统计，每1升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油。据初步估算，如果将1立方公里海水中的氘用于聚变反应，其释放的能量相当于全球石油储量燃烧的能量。
然而，实现激光核聚变十分具有挑战性。
李玉同解释道，热核聚变反应的发生需要极高的温度与密度，以便克服氘氚核子之间的库仑力并将核聚变反应产生的阿尔法粒子沉积在燃料中维持自持燃烧。其原理就好比一个小球（靶丸）受多束大能量强激光的均匀辐照，不断向心收缩，在极短时间内被压缩到极高的密度并被加热至极高的温度。理想状态下，小球在保持良好对称性的同时，其密度、温度和压强会达到比太阳核心还高的程度，即核聚变反应的“点火条件”。
“但要做到这一点非常不容易。”李玉同坦承，尤其是球体的对称性压缩难以保持。
能否成功“点火”是实现激光核聚变的关键。传统激光聚变的点火途径是“中心点火”，但这需要使用巨大能量的激光装置对氘氚燃料进行同步的压缩和点火，而同步进行的压缩和点火过程会引发极其复杂的非线性物理过程。美国曾耗资35亿美元历时10多年建成国家点火装置，自2009年起，进行了数千发点火实验，但至今尚未实现点火增益。面对挑战，积极探索改进方案和新方案具有重要意义。
张杰带领其团队结合近年快点火、强磁场等前沿进展，形成了系统的“双锥对撞点火”方案。其中一个重要环节是通过激光—等离子体相互作用，把超强拍瓦点火激光的能量转化成兆电子伏特的电子束能量，在强磁场的导引下，到达预压缩聚变靶丸的点火区域，加热此区域从而实现点火。也就是说，在靶丸压缩的过程中给其“临门一脚”。
该方案有望大幅降低驱动激光的能量，进而更易获得激光聚变能量，同时很好消解对靶压缩过程对称性的破坏，得到了国际同行的广泛关注。
20年的坚持
在团队成员看来，持之以恒地努力，看准方向的道路，不管多艰难都绝不放弃，是张杰带领团队获得科学成就的重要原因。
“张杰院士的新方案、新想法不是一蹴而就的，而是在坚持不懈地研究、深入理解其中的每个物理过程后，逐渐形成的。”李玉同说。
其实，“双锥对撞点火”方案在张杰还在英国牛津大学和卢瑟福实验室工作时便初具雏形。1999年，他回到中科院物理研究所任光物理重点实验室主任。那时，李玉同便是张杰回国后指导的第一批博士研究生之一，后来又继续在张杰指导下进行博士后研究。从那时起，他们便开始仔细研讨这一方案的可行性，逐步在不同激光装置上开展系统实验。
在随后的近20年时间里，张杰即使在担任繁重的行政领导职务的情况下，也从未放弃对激光聚变新方案的思考与探索。
正是这种坚持和日积月累，张杰才能自2019年起，组建并带领由多个中科院研究所和大学科研人员组成的大型联合研究团队，利用强激光实验研究平台，在新型激光核聚变方案的理论和实验研究方面取得一系列重要突破。
目前，张杰团队正在对“双锥对撞点火”方案的分解物理目标进行系统的实验研究。他们在中科院上海光学精密机械研究所的神光二号升级激光装置上，已经完成了多轮实验。
张杰常对其团队成员说：“我们生在一个伟大的时代、一个能成就梦想的时代，我们要珍惜这个时代的每一天、每一小时、每一分钟。”他带领研究团队用实际行动践行着作为“国家队”“国家人”，心系“国家事”，肩扛“国家责”的使命担当。
面对未来，张杰和研究团队成员对激光核聚变点火这一重要里程碑目标的最终实现，充满了信心和期待。
（原载于《中国科学报》 2021-12-21 第4版 综合)
转载：中国科学家官网
