模擬都卜勒增強雷射器與固體目標之間的交互作用。圖片來源：Zaïm et al.
為了揭示在極強電磁場中可能出現的新物理狀態，物理學家一直在尋求產生更強光束的實驗方法。盡管已取得一些進步，但要穩定地達到極端的光強度仍然是一個挑戰。
巴黎薩克雷大學的研究人員及其在CEA、CNRS的同事們提出了一種創新方法，透過緊密聚焦並利用都卜勒效應增強的雷射器，有望在實驗中達到空前的光強度。這一方法在一篇發表於【物理評論快報】的論文中得到了詳細闡述，理論計算表明，這種方法能夠接近施溫格極限，從而實作光與物質間的前所未有的交互作用。
論文的合作作者Henri Vincenti和Neil Zaim解釋說：「這個想法源於我們2019年在CEA-LIDYL團隊的討論，隨後與勞倫斯柏克萊國家實驗室展開了深入研究，特別是在模型建立方面。」他們正在開發一種新技術，以創紀錄的強度產生光，並探討如何利用這種光來探究強場量子電動力學（SF-QED）的狀態。
量子電動力學（QED）是電動力學的相對論性量子理論，是迄今為止最為精確檢驗的物理理論之一。然而，其強場區域由於實驗上的困難而鮮為人知。SF-QED理論預測，在極強電磁場的作用下，會出現新的物理現象，如γ射線的發射和反物質（電子-正電子對）的產生，甚至光的傳播也會變得非線性。
Vincenti和Zaim指出：「例如，一束強大的光束能夠影響另一束在其路徑上傳播的光，這種現象在馬克士威方程式組中並未描述，因為後者本質上是線性的。」理論上，強場狀態發生在黑洞和中子星等大品質天體附近，以及在極端天體物理事件如伽瑪射線暴期間。這些現象尚未完全被理解，因此在實驗室中研究與之相關的極端條件可能極具啟發性。
盡管如此，迄今為止，科學家們還未能在實驗環境中成功模擬SF-QED主導的條件。目前的實驗多依賴於大型粒子加速器，但它們只能探測到有限的SF-QED過程。
Vincenti和Zaim解釋說：「在實驗室中再現這些條件極具挑戰，因為當電磁場接近所謂的施溫格極限（約10^18 V/m或等效的10^29 W/cm^2）時，SF-QED現象才會發生；而這個臨界值遠高於現有雷射技術所能產生的最高強度，後者大約只能達到10^23 W/cm^2。」
通常認為，在實驗室條件下達到施溫格場是不可能的。因此，以往和提議的實驗都是在高能粒子的靜止框架中才可能達到施溫格極限。
Vincenti、Zaim及其團隊希望他們提出的高強度光產生技術能夠開啟新的研究機遇。特別是，這項技術最終可能讓物理學家在實驗室環境中接近施溫格極限。
Vincenti和Zaim提到：「在我們2019年的論文中，我們透過最先進的數值模擬驗證了我們的光增強技術的可行性。」模擬結果顯示，這種方法可以將拍瓦（PW）雷射的強度提高2至5個數量級，有可能使得強度達到10^25至10^28 W/cm^2，這是現有雷射技術水平所不及的。在2021年發表於【自然物理學】的一篇論文中，他們利用中等強度（約10^19 W/cm^2）的太瓦級（TW）雷射首次實驗證實了這一結果。
在2021年發表的另一篇論文中，Vincenti和他的同事介紹了進一步的數值模擬結果。這些結果表明，即使在使用他們提議的方法（約10^25W/cm^2）時，增強的光也足以觸發比傳統拍瓦（PW）雷射器探測到的更多的SF-QED現象。
Vincenti和Zaim表示：「這可能會在未來幾年內促成一種新的SF-QED實驗。」然而，他們也指出，即使在這種情況下，我們距離在實驗室框架中達到施溫格極限還有幾個數量級的差距，因為施溫格極限只在高能粒子的靜止框架中被超越。
盡管研究團隊已經進行了多種數值模擬來理論上驗證他們的方法，但這種方法在實驗室框架中接近施溫格極限的潛力仍有待探索。
模擬都卜勒增強雷射器與電子束之間的碰撞。圖片來源：Zaïm et al.
為了達到預期的最高強度（約10^28 W/cm^2），Vincenti和Zaim提出了一個創新方案，該方案利用了PW雷射器與扁平固體目標交互作用後形成的電漿。具體而言，研究團隊建議使用超強雷射束轟擊經過光學拋光的固體目標，從而產生所謂的電漿鏡。
這種電漿鏡能夠反射入射的雷射，並在強雷射場的作用下移動。這種移動導致反射的雷射脈沖暫時壓縮，並透過都卜勒效應轉變為更短的波長。雷射的放射線壓力賦予電漿鏡以自然曲率，將都卜勒增強的光束聚焦到一個更小的點上，理論上在這個點上可以實作超過三個數量級的強度增益。
Vincenti和Zaim強調，要達到接近施溫格極限（約10^28 W/cm^2而非約10^25 W/cm^2）的關鍵在於將增強的光聚焦到盡可能小的體積中。他們目前正在探索多種途徑以實作這樣的緊密聚焦，例如透過使用外部的極紫外光學器件進行重聚焦。一些技術顯示出極大的潛力，並將在未來的出版物中詳細討論。
在他們的最新論文中，Vincenti和Zaim並未假設用於緊密聚焦都卜勒增強光的具體方法，以便在數值模擬中涵蓋各種潛在選項。他們僅僅假設能夠將光聚焦到盡可能小的體積，即達到繞射極限。
Vincenti和Zaim表示：「我們的結果非常令人振奮，因為它們表明，在實驗室框架中接近Schwinger極限會引發新的、極其豐富的光與物質交互作用場景，這些場景處於現代物理學的前沿。」
他們發現，增強光與固體目標之間的簡單交互作用引發了大量的SF-QED事件，這些事件主導了物理過程。通常情況下，30%至50%的增強光能在幾十飛秒的時間內透過SF-QED過程轉化為γ射線和電子-正電子對。
數值模擬還顯示，他們的方法導致產生的γ光子和電子-正電子對聚整合以光速移動的密集火球。盡管這些火球的壽命極短，僅約1 fs，但研究小組認為它們可以模擬存在於黑洞和中子星附近的電子/正電子噴流，從而有助於揭示這些天體發出的放射線的來源。
Vincenti和Zaim指出：「在我們能夠合理考慮的最高強度（>10^28 W/cm^2）下，我們發現物理過程變得更加劇烈：粒子產生的鏈式反應開始發生。」
換言之，光子和電子-正電子對會自我產生新的光子和正電子對，使得火球的密度呈指數級增長，超過固體密度的5000倍以上。認為這種鏈式反應機制有可能產生新的γ射線暴和先進的反物質源並非不合理。
Vincenti、Zaim及其同事還從理論上表明，他們的都卜勒增強光與來自粒子加速器的高能電子束的碰撞也能帶來有趣的結果。實際上，在這種配置中，電子靜止框架中的場變得如此之高，以至於為SF-QED開發的微擾理論崩潰了。
Vincenti和Zaim解釋說：「換句話說，截至目前，我們不知道在這樣的實驗中會發生什麽。」
這種理論框架的缺失可能是由於非微擾量子場論的數學復雜性，以及長期以來研究人員認為在電子的靜止框架中不可能達到如此高的電場。他們的推測是，這些結果將進一步激發對SF-QED非微擾機制的興趣，並刺激更適合該機制的新理論或數值框架的發展。
迄今為止，研究人員獲得的結果表明，進行接近Schwinger極限的實驗將產生激動人心的新發現，這些發現可以極大地推動電漿物理學和QED領域的發展。在接下來的研究中，他們計劃與全球主要的雷射設施合作，開始在實際實驗中套用他們提出的方法。
Vincenti和Zaim表示：「我們預計面臨的主要挑戰是在具有實驗缺陷（如雷射和瞄準誤差）和有限光束時間的真實環境中實際產生盡可能高的光強度（高達10^28 W/cm^2）。辨識和克服未來的障礙將需要理論、數值和實驗專業知識的綜合運用。」
研究人員預測，在初始的實驗中，他們將能夠創造出強度約為10^25 W/cm^2的增強光。盡管這些強度仍然遠離施溫格極限，但它們將創造新的世界紀錄，並為之前從未進行過的高影響力SF-QED實驗鋪平道路。
Vincenti和Zaim補充說：「然後，我們將利用先前實驗的反饋和雷射技術的未來進展，逐步增加增強光的強度，直至達到Schwinger極限。這將使我們能夠觀察到越來越壯觀的SF-QED主導的交互作用。因此，我們相信未來將有激動人心的時刻。」
