精密测量物质原子内的电子运动，实现对亚原子尺度物理规律的理解，进而实时操控电子的动力学行为是人们追求的重要科学目标之一。由于核外电子的运动在阿秒量级(10-18 秒)，需要具有阿秒时间分辨的光脉冲充当闪光灯来拍摄电子运动快速变化的过程。利用泵浦-探测技术，阿秒光脉冲已经可以探测短至数十阿秒的超快电子动力学过程，并且能够在亚原子尺度内实时控制电子的运动，例如原子内的电子电离、多电子俄歇衰变、电子激发弛豫和成像，分子的解离和控制，分子的振动和转动，从而促进生命科学、化学合成和凝聚态物理的发展。
目前，实验室中被广泛用来产生阿秒光脉冲的是气体高次谐波方法。当激光照射到惰性气体，通过电离、电子加速和复合等三步过程可产生脉宽低至几十阿秒的极紫外波段高次谐波。利用偏振门、振幅门、时间门和双色场等选通方法，还可以从高次谐波的阿秒脉冲链中提取出孤立阿秒光脉冲。但由于气体的电离阈值较低，驱动激光的强度被限制在1015 W/cm2，这也限制了输出高次谐波的强度和光子能量，无法产生非线性光学效应，同时也导致光电测量的积分时间较长、信噪比较小，成为制约阿秒科学发展的瓶颈问题。目前，产生光子能量在硬X射线甚至γ射线波段的阿秒脉冲是阿秒科学的重要研究方向。
少周期涡旋激光驱动高亮孤立阿秒γ射线产生
近日，国防科技大学和上海交通大学联合团队通过大规模三维粒子模拟提出先利用少周期涡旋激光脉冲照射微雨滴靶获得高品质旋转阿秒电子片，再通过另一束反向激光脉冲的非线性汤姆逊散射来产生高亮的孤立阿秒γ射线。通过构建物理模型分析了激光强度阈值和载波包络相位如何调控孤立阿秒电子片的产生，研究了相对论旋转电子片的非线性汤姆逊散射过程，讨论了驱动激光强度对γ光子能谱、峰值亮度、角动量传递和能量转化效率的影响。三维粒子模拟表明，在合适的激光条件下，该方案可以产生脉宽为320 as、峰值亮度为9.3×1024 photons/s/mrad2/mm2/0.1%BW的孤立阿秒γ射线。同时，由于旋转电子片的角动量传递，γ射线携带2.8×1016ħ的角动量，导致γ光子的角分布在峰值处发生了劈裂，这有可能为实验上研究旋转电子片的非线性汤姆逊散射提供依据。
成果发表在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))。
图1给出了高亮孤立阿秒γ射线的产生过程。图2给出了阿秒γ射线的密度、发散角、能量和亮度分布。根据经典的非线性汤姆逊散射理论，γ光子的密度、能量和亮度主要取决于电子的能量及其空间分布，这与模拟结果也保持一致。但是在本方案中，电子的角动量通过非线性汤姆逊散射随着能量传递给γ光子，引起γ光子沿着逆时针方向旋转，这导致γ射线的角分布在Φ=0和Φ=180°处出现了劈裂。这种独特的角分布也为实验上判断非线性汤姆逊散射过程中γ光子是否携带角动量提供了新的信号。
图1 高亮孤立阿秒γ射线产生过程示意图
图2 阿秒γ射线的密度、发散角、能量和亮度分布图
总结与展望
目前，实验上已经获得了峰值强度高达1.2×1020 W/cm2的强涡旋激光。结合超宽带脉冲压缩光栅技术，可以提供本方案所需的激光条件。由于在实验室中能以10~500 kHz的频率产生雨滴靶，利用此方案预期可以高重频地产生孤立阿秒γ射线，整个过程类似于激光照射锡金属液滴产生光刻机所需的EUV光源。相关工作有望为基于当前百太瓦或拍瓦激光装置开展孤立阿秒γ射线产生的实验研究提供理论依据。
