科學家們小心翼翼地定位雷射器，將數十億電子壓縮在一起，產生比以往任何時候都強大五倍的光束。

SLAC的研究人員創造了一個峰值電流破紀錄的超短電子束，達到了加速器物理學的一個重要里程碑：比以前產生的任何東西都要大5倍。通過掌握基於鐳射的技術，他們將電子壓縮到一個非常小的空間，同時保持光束品質，克服了該領域長期存在的挑戰。這一突破為探索量子物理、材料科學和天體物理學中的現象提供了前所未有的精度，包括在實驗室中重建星狀細絲。鐳射束的能量和多功能性已經引發了新的研究，並推動了實驗物理學的極限。

電子束能量的巨大飛躍

SLAC國家加速器實驗室的科學家們創造了一種超短電子束，其峰值電流是地球上任何同類電子束的五倍。

發表在《物理評論快報》上的一篇論文詳細介紹了這一突破，解決了粒子加速器和束流物理學的主要挑戰之一：在不犧牲質量的情況下產生高功率電子束。它還為包括量子化學、天體物理學和材料科學在內的一系列領域的研究開闢了新的可能性。

“我們不僅可以創造如此強大的電子束，而且我們還能夠以可定製和按需要的方式控制電子束，這意味著我們可以探測到比以往更廣泛的物理和化學現象，”能源部SLAC國家加速器實驗室的研究員克勞迪奧·艾瑪（Claudio Emma）說，他是SLAC高級加速器實驗測試設施（FACET-II）的研究員，也是這項新研究的主要作者。

權力平衡

正如加速器和束流物理路線圖（2022）所強調的那樣，該領域的長期目標之一是開發既強大又精確控制的電子束。到目前為止，增加光束的功率往往意味著降低其品質，這種權衡限制了許多先進實驗的進展。

傳統上，微波場被用來壓縮和聚焦電子束。電場內的電子是交錯的，所以後面的電子比前面的電子擁有更多的能量。艾瑪解釋說，這有點像運動員在田徑比賽開始時搖搖晃晃的樣子。“然後我們讓它們繞一個彎，這樣後面的電子就能趕上前面的電子，最後，一束電子聚集在一起，形成一束聚焦的光束。”

這種方法的問題是，當它們加速時，電子會發射輻射並失去能量，因此光束的品質會惡化。這就在光束能量和質量之間做出了權衡。艾瑪說：“我們不能用傳統的方法在亞微米尺度上壓縮電子束，同時還能保持光束的品質。”

激光制勝

為了解決這個問題，SLAC的研究人員使用最初為X射線自由電子雷射器（如SLAC的直線加速器相幹光源（LCLS））開發的鐳射整形技術，將數十億個電子壓縮成小於1微米的長度。艾瑪說：“使用鐳射的最大優勢是，我們可以應用比微波場更精確的能量調製。”

但這並不像在隧道里發射幾束激光那麼簡單。艾瑪說：“我們有一個一公里長的機器，鐳射在前10米與光束相互作用，所以你必須得到完全正確的形狀，然後你必須在不失去調製的情況下將光束傳輸另一公里，你必須壓縮它。”“所以這並不容易。”

經過幾個月的測試和改進他們的鐳射成形技術，艾瑪和他的團隊現在可以反覆產生高能量，飛秒持續時間，佩瓦峰值功率的電子束，比以前可以實現的電流高大約五倍。

改變遊戲規則的科學工具

這種新的光束將使科學家能夠探測一系列的自然現象，包括測試量子物理學、材料科學和天體物理學中的假設。

例如，在天體物理學中，這種光束可以被引導到固體或氣體目標上，從而產生類似於在恆星中看到的燈絲。艾瑪說：“科學家們知道這些細絲的存在，但現在我們可以在實驗室里以前所未有的能力測試它們是如何發生和進化的。”

實際應用已經在進行中

FACET-II的研究人員抓住了更強大的光束，並已經將其應用於推進等離子尾流場技術。艾瑪對進一步壓縮這些光束以產生阿秒光脈衝的前景感到特別興奮，這將進一步增強LCLS目前的阿秒能力，並推動更多開創性的科學。艾瑪解釋說：“如果你把光束作為一個快速相機，那麼你也有一個非常短的光脈衝，現在你突然有了兩個互補的探針。”“這是一種獨特的能力，我們可以用它做很多事情。”

艾瑪和他的同事們對這種新的電子束將帶來的前景感到興奮。“我們在FACET-II有一個非常令人興奮和有趣的設施，人們可以來這裡做實驗，”他說。“如果你需要一個極端的光束，我們有適合你的工具，讓我們一起努力。”