物理所等在强激光高能量密度物理研究中取得新成果

量子场论被认为是描述最本质物理规律的学科之一。利用最基本的关系式狄拉克方程所提出的多种预测已经被证实，并得到具有重大意义的结果。到目前为止，关于最具挑战性且有重大价值的一项预测的真实性验证还仍然在探索中：光是否能够直接转化成物质，即强场下真空中是否能够激发出正负粒子对。1951年诺贝尔奖得主Julian Schwinger给出了电子对在均匀稳恒电场中产生率的表达式，这项先驱性的工作引起了人们对这项对物理基础学科发展和应用极富挑战性的重大科学课题的注意，并激发人们开始投入大量精力来挑战这个未解的难题。

超快超强激光技术的快速发展正在为开展这项研究提供前所未有的实验条件，使其逐渐成为物理学的一个新的前沿热点。迄今为止，人们在实验上已经得到一些有意义的结果，重离子对撞实验以及美国斯坦福线型加速器上进行的46.6GeV电子束和强激光碰撞实验，已经证实了正负电子对的产生。但是到目前为止，由强光场直接引起的真空击穿和相应的正负电子对产生过程的实验还未能实现，主要原因是目前激光系统的最大强度虽然已经高达2×10²²W/cm²，但仍不足以直接"击穿"真空。为了获得更高功率的激光系统，跨国研究中心也正在建设中。我们能够预期，在不久的将来，激光就可接近甚至达到"击穿"真空并自发产生正负电子对的强度，在避免其它效应的情况下对超临界场产生正负粒子对的过程进行直接检验。如果能够实现，将是人类首次证实光可以直接转化成为物质，即爱因斯坦的能质公式E=mc², 这对于物理学的发展和所带来影响是不可估量的。

对于这一重要问题，理论和数值方面已经得到了非常有意义的结果，但大部分工作都只考虑了电场而并没有考虑磁场效应。最近，中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）光物理实验室强激光高能量密度物理组与美国伊利诺斯州立大学、中国矿业大学和上海交通大学的合作者一起，首次研究了磁场效应对局域超临界电场下正负电子对产生过程的影响。

通过运用基于量子场论的非微扰的精确数值模拟，发现在超临界的电场中即使考虑强度非常小的磁场，只要其空间宽度足够宽，仍然可以关闭正负电子对产生通道，使系统变为次临界，并且伴随产生粒子数在时间上的震荡效应(见图1)。一直被公认的Schwinger公式和Hund公式都无法对这种效应做出描述。通过计算系统总哈密顿量的能量本征值得出，磁场变宽的同时正负能态的上下限随之相互远移，当磁场宽度达到粒子在磁场中的回旋半径的时候系统就变为次临界(见图2)，并且出现离散的朗道能级引发粒子数在时间上的震荡效应。

上述研究结果发表在近期的物理评论快报[Phys. Rev. Lett. 109, 253202 (2012)]上。

该工作得到了国家基金委、科技部、中国科学院和美国国家基金委的资助。

图1. 不同磁场宽度下正负电子对的产生数随时间的变化关系。其中W_B=1.25/c约为电子在磁场中的回旋半径：磁场宽度小于回旋半径时，粒子数持续产生，系统为超临界；磁场宽度大于回旋半径时，系统变为次临界。

图2. 根据总哈密顿量得到的能级分布随磁场宽度WB变化关系。宽度小于回旋半径时，正负能态交叠，能够持续产生电子对；宽度大于回旋半径时，正负能态分离并出现离散的朗道能级。