【仪表网 研发快讯】近日，物理学综述期刊 Reports on Progress in Physics 刊载了题为《Plasma acceleration of polarized particle beams》的综合性综述论文。该论文首次对蓬勃兴起的“激光等离子体加速极化粒子束”这一前沿领域进行了全面系统的梳理与总结，提炼了奠定该领域发展的核心物理理论、关键实验技术与多种创新加速方案，还勾勒出未来十年的发展路线图。
 

　　综述指出，将自旋极化的概念与超高梯度的等离子体加速技术相结合，旨在为高能物理、核物理与聚变能源等领域提供一个潜在的有效新工具。然而，激光等离子体环境中的极端、瞬变电磁场，对粒子自旋的保持构成了严峻挑战。论文系统地阐述了在该环境中支配自旋演化的三大核心物理效应：自旋进动、自旋对粒子轨迹的影响，以及辐射极化。文章指出，在现有大多数激光等离子体加速器参数下，由托马斯-巴格曼-米歇尔-特莱迪(Thomas–Bargmann–Michel–Telegdi)方程描述的自旋进动效应是导致退极化的主导机制；同时文章也给出关键退极化时间尺度，为后续所有旨在维持极化的实验设计提供了至关重要的理论基础。
 

　　综述还总结了为实现极化加速所发展的各类关键技术。在靶材技术方面，论文区分了“预极化靶”与“原位极化”两大技术路径。前者如已成功实现激光加速的极化³He气体靶，证明了极化在加速后得以保持的原理可行性；后者如利用多步激光操控自旋极化氢气或特定原子(如氙、镱)的方案，则展现了无需维持磁场、可达更高密度的潜力，代表了未来的发展方向。
 

　　对于不同种类的粒子，文章阐述了以下要点：
 

　　1.极化电子：通过激光尾波场加速，结合拉盖尔-高斯激光模式、双脉冲碰撞注入等创新注入技术，已能在数值模拟中实现80%以上极化度的高品质电子束。其中一个关键共识是：退极化主要发生在注入阶段，而非后续的高能加速阶段。
 

　　2.极化正电子：由于其难以直接制备，研究聚焦于通过非线性Breit-Wheeler过程等转化机制，利用极化电子束或极化伽马光子来间接产生，多项理论方案预测其极化度可达60%左右。
 

　　3.极化离子：磁涡旋加速与无碰撞激波加速被认为是两种最具前景的机制。前者适合产生高电荷量束流，后者则在保持超高极化度方面表现优异。
 

　　4.极化伽马光子：作为非线性Compton散射的产物，其产生技术已趋于成熟。同时，文章也特别强调了其潜在应用价值，即利用伽马光子的偏振极化特性作为“被动诊断”工具，来反演等离子体内部复杂的瞬态电磁场与动力学过程。
 

　　此外，文章指出理论研究和数值模拟已取得系列进展，但实验验证仍是当前最紧迫的任务，尤其是在极化电子和正电子产生和加速方面。同时，开发能够适应激光等离子体束流超短脉冲、超高流强特性的专用极化测量技术，是推动该领域发展的关键支撑。
 

　　作为对未来的展望，综述提到：激光等离子体加速器所能提供的飞秒级脉冲、千安培级峰值流强的极化束，其性能在多方面具有潜力优势，如作为下一代高亮度粒子对撞机、自由电子激光器的优质注入器，或将直接应用于极化燃料聚变、时间分辨的核物理探测等全新实验场景。随着ELI(欧洲极端光学装置)、SULF(上海超强激光装置)等下一代激光设备陆续建成，极化粒子束的等离子体加速研究将从原理探索阶段，逐步过渡到实验性能优化与实际应用阶段，为科学家探索微观物质结构和宇宙极端环境开启新的窗口。
 

　　本综述工作由 Lars Reichwein(德国于利希研究中心),弓正(中国科学院理论物理研究所)、郑川(德国杜塞尔多夫大学)、吉亮亮(中国科学院上海光学精密机械研究所)、Alexander Pukhov(德国杜塞尔多夫大学)和Markus Buescher(德国于利希研究中心)六位研究人员合作完成，文章于11月14日在IOP期刊网站在线发表。相关工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院先导项目等的支持。