物理所在强激光和物质相互作用研究中取得进展

2022-08-15 16:02

在强场QED领域内，受外场偏转的高能电子会通过非线性Compton散射辐射高能伽马光子，而伽马光子又可以通过非线性Breit－Wheeler过程高效地湮灭为正负电子对。此前研究表明，如果采用非对称强激光（椭圆偏振激光或双色线偏振激光）和高能电子束对撞，产生的正电子将是自旋极化的。但是激光尾场加速获得的GeV电子束的电量只有数十皮库（10^－12库仑），这就导致产生的正电子数目低于皮库量级。

此外，受限于光学器件较低的损伤阈值，构造超强的非对称激光场也是十分困难的。另一方面，利用十拍瓦、百拍瓦激光与等离子体相互作用可以产生高密度的正电子，然而这些正电子极化性质仍然不清楚，因为目前广泛使用、对以上问题进行研究的QED－PIC程序忽略了自旋极化效应。

为了弄清这一问题，该团队利用自主开发的YUNIC QED－PIC程序对百拍瓦量级的激光和固体靶作用进行了研究，其中采用了常规的线偏振激光脉冲（激光场初始对称）以及靶的前表面有激光预脉冲产生的微米标长的预等离子体。模拟结果表明，一旦激光强度超过1024W／cm²时，正电子就会出现明显的极化，并且此极化依赖于偏转角度。对于偏转角大于20度的正电子，其极化率可以达到30％，并且可以通过筛选特定能量的正电子进一步将极化率提升到60％（图1）。

图1 （a）激光固体靶相互作用产生极化正电子的方案：一束线偏振激光入射到一个在靶前具有微米密度标长的固体靶上。激光作用结束后，（b）正电子数密度和（c）极化率关于横向偏转角和正电子能量的二维分布，以及关于横向偏转角的一维分布。

正电子和电子的极化可归结为它们产生和脱离激光作用区域时感受到了非对称的激光场。虽然激光场在入射时是对称的，但是由于激光场在高密度靶前表面的等离子体趋肤层附近被强烈地吸收和反射，同时正电子和电子可以自由地通过此趋肤层。因而，正电子和电子只经历了部分的激光场就进入到高密等离子体内，这导致了它们在趋肤层附近经历了高度不对称的亚周期激光场，从而获得了具有角度依赖的自旋极化。在真实实验中，由于激光预脉冲是无法避免的，该工作的模拟结果表明它在靶前产生的预等离子体会对正电子的极化和产额都具有重要的作用（图2）。