伽马射线激光器可能存在吗？

诸平

Fig. 1 Since the 1960s, advancements in laser technology have aimed to enhance peak power and produce light at shorter wavelengths, with significant progress marked by the development of chirped pulse amplification in the 1980s. Current research focuses on overcoming challenges in generating coherent gamma rays, a critical step toward revolutionary applications in imaging and material studies. (Artist’s concept.) Credit: SciTechDaily.com

Fig. 2 BEAM US UP: A newly funded research project combines the theoretical expertise of University of Rochester scientists with the theoretical and experimental capabilities of ELI Beamlines in the Czech Republic. Pictured is the compressor for generating the ultrahigh-intensity laser pulses required for the project. (Photo courtesy of ELI Beamlines)

Fig. 3 GAMMA-RAY GOALS: The experimental hall at ELI Beamlines where the experiments led by University of Rochester scientist Antonino Di Piazza will be performed. If successful, the research could lead to the creation of a gamma-ray free electron laser, a major goal in the scientific community. (Photo courtesy of ELI Beamlines)

Fig. 4 NET(WORK) EFFECT: The University of Rochester’s Laboratory for Laser Energetics is part of the NSF X-Lites, a “network of networks” studying extreme light in intensity, time, and space. (Image courtesy NSF X-Lites)

据美国罗切斯特大学（University of Rochester）2024年8月28日提供的消息，伽马射线激光器可能存在吗？（Is a Gamma-Ray Laser Possible?）

联邦资助将使罗彻斯特大学的科学家与他们的欧洲伙伴合作，探索开发超越X射线的相干光源的可行性。自20世纪60年代激光发明以来，科学家们一直在努力提高其峰值功率，并开发出波长越来越短的相干光的设备。这些进步旨在提高图像分辨率，促进量子核态(quantum nuclear states)的探索。

在峰值功率方面取得了进展，最值得注意的是罗切斯特大学研究人员在20世纪80年代发明了啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification)，这一突破获得了2018年的诺贝尔物理学奖(Nobel Prize in Physics in 2018)。然而，开发能够产生高能光——如伽马射线——的激光器，仍然是难以捉摸的。部分原因是相干光波彼此同步，在组合时产生更强的效果。这种效应在光子能量较高的情况下很难实现。虽然激光现在可以在电磁波谱的可见光、紫外线和X射线范围内产生相干光，但在伽马射线存在的X射线范围之外产生相干光仍然是一个挑战。

为了克服这一障碍，罗切斯特大学的研究人员与捷克共和国ELI 粒子束（ELI Beamlines in the Czech Republic）的同事合作，获得了美国国家科学基金会(NSF)的资助{National Science Foundation (NSF) funding}，研究密集电子束与强激光场碰撞时发出的辐射的相干性。在这样做的过程中，研究人员的目标是了解如何产生相干伽马射线，并将这些新的辐射源用于研究和应用，以创造反物质，研究核过程，以及成像密集的物体或材料，例如扫描集装箱。

“制造相干伽马射线的能力将是创造新型光源的科学革命，类似于可见光和X射线源的发现和发展如何改变我们对原子世界的基本理解，”罗切斯特大学物理学教授、该大学激光能量学实验室（the University’s Laboratory for Laser Energetics）的杰出科学家安东尼诺·迪·皮亚扎（Antonino Di Piazza）说，他是美国国家科学基金会资助的首席研究员。

美国与欧洲的联系促进了激光科学的进步（US–Europe connections facilitate laser science advancements）

该项目将罗切斯特科学家的理论专业知识与捷克共和国ELI 粒子束的理论和实验能力相结合，加强了美国和欧洲在高强度激光领域的联系。科学家们将使用复杂的理论和高科技实验来研究快速移动的电子如何与激光相互作用以发射高能光。

他们将从简单的情况开始，比如一个或两个电子是如何发光的，然后再转向更复杂的有许多电子的情况，产生相干的伽马射线。这样的结果建立在创造相干X射线的科学家的工作基础上，包括美国斯坦福直线加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center简称SLAC）国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）、欧洲激光装置（European XFEL）和日本的X射线自由电子激光研究设施（SACLA）的团队。

安东尼诺·迪·皮亚扎说：“我们并不是第一批尝试用这种方法制造伽马射线的科学家。但是我们用的是完全的量子理论——量子电动力学（quantum electrodynamics），这是解决这个问题的先进方法。”

根据安东尼诺·迪·皮亚扎的说法，如果成功的话，这个项目可能会导致无伽马射线电子激光器的产生，这是科学界的一个主要目标。“当然，第一步是在制造这样的设备之前证明此科学是可能的。”

这项工作也将有助于推进在罗彻斯特大学潜在的未来NSF OPAL高功率激光用户设施（NSF OPAL high-power laser user facility）的科学案例，这是另一个NSF资助的项目，安东尼诺·迪·皮亚扎是该项目的联合首席研究员，该项目有可能成为全球科学界独特的开放获取资源（open-access resource）。NSF OPAL是NSF X-lites的一部分，NSF X-lites是一个研究极端光强度、时间和空间的国际网，旨在解决在最短距离、最高强度和最快时间内激光-物质相干相互作用前沿定义的重大挑战问题。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Bose-Einstein Condensates for Gamma-Ray Lasers