模拟多普勒增强激光器与固体目标之间的相互作用。图片来源：Zaïm et al.
为了揭示在极强电磁场中可能出现的新物理状态，物理学家一直在寻求产生更强光束的实验方法。尽管已取得一些进步，但要稳定地达到极端的光强度仍然是一个挑战。
巴黎萨克雷大学的研究人员及其在CEA、CNRS的同事们提出了一种创新方法，通过紧密聚焦并利用多普勒效应增强的激光器，有望在实验中达到空前的光强度。这一方法在一篇发表于【物理评论快报】的论文中得到了详细阐述，理论计算表明，这种方法能够接近施温格极限，从而实现光与物质间的前所未有的相互作用。
论文的合作作者Henri Vincenti和Neil Zaim解释说：「这个想法源于我们2019年在CEA-LIDYL团队的讨论，随后与劳伦斯伯克利国家实验室展开了深入研究，特别是在模型建立方面。」他们正在开发一种新技术，以创纪录的强度产生光，并探讨如何利用这种光来探究强场量子电动力学（SF-QED）的状态。
量子电动力学（QED）是电动力学的相对论性量子理论，是迄今为止最为精确检验的物理理论之一。然而，其强场区域由于实验上的困难而鲜为人知。SF-QED理论预测，在极强电磁场的作用下，会出现新的物理现象，如γ射线的发射和反物质（电子-正电子对）的产生，甚至光的传播也会变得非线性。
Vincenti和Zaim指出：「例如，一束强大的光束能够影响另一束在其路径上传播的光，这种现象在麦克斯韦方程组中并未描述，因为后者本质上是线性的。」理论上，强场状态发生在黑洞和中子星等大质量天体附近，以及在极端天体物理事件如伽玛射线暴期间。这些现象尚未完全被理解，因此在实验室中研究与之相关的极端条件可能极具启发性。
尽管如此，迄今为止，科学家们还未能在实验环境中成功模拟SF-QED主导的条件。目前的实验多依赖于大型粒子加速器，但它们只能探测到有限的SF-QED过程。
Vincenti和Zaim解释说：「在实验室中再现这些条件极具挑战，因为当电磁场接近所谓的施温格极限（约10^18 V/m或等效的10^29 W/cm^2）时，SF-QED现象才会发生；而这个临界值远高于现有激光技术所能产生的最高强度，后者大约只能达到10^23 W/cm^2。」
通常认为，在实验室条件下达到施温格场是不可能的。因此，以往和提议的实验都是在高能粒子的静止框架中才可能达到施温格极限。
Vincenti、Zaim及其团队希望他们提出的高强度光产生技术能够开启新的研究机遇。特别是，这项技术最终可能让物理学家在实验室环境中接近施温格极限。
Vincenti和Zaim提到：「在我们2019年的论文中，我们通过最先进的数值模拟验证了我们的光增强技术的可行性。」模拟结果显示，这种方法可以将拍瓦（PW）激光的强度提高2至5个数量级，有可能使得强度达到10^25至10^28 W/cm^2，这是现有激光技术水平所不及的。在2021年发表于【自然物理学】的一篇论文中，他们利用中等强度（约10^19 W/cm^2）的太瓦级（TW）激光首次实验证实了这一结果。
在2021年发表的另一篇论文中，Vincenti和他的同事介绍了进一步的数值模拟结果。这些结果表明，即使在使用他们提议的方法（约10^25W/cm^2）时，增强的光也足以触发比传统拍瓦（PW）激光器探测到的更多的SF-QED现象。
Vincenti和Zaim表示：「这可能会在未来几年内促成一种新的SF-QED实验。」然而，他们也指出，即使在这种情况下，我们距离在实验室框架中达到施温格极限还有几个数量级的差距，因为施温格极限只在高能粒子的静止框架中被超越。
尽管研究团队已经进行了多种数值模拟来理论上验证他们的方法，但这种方法在实验室框架中接近施温格极限的潜力仍有待探索。
模拟多普勒增强激光器与电子束之间的碰撞。图片来源：Zaïm et al.
为了达到预期的最高强度（约10^28 W/cm^2），Vincenti和Zaim提出了一个创新方案，该方案利用了PW激光器与扁平固体目标相互作用后形成的等离子体。具体而言，研究团队建议使用超强激光束轰击经过光学抛光的固体目标，从而产生所谓的等离子体镜。
这种等离子体镜能够反射入射的激光，并在强激光场的作用下移动。这种移动导致反射的激光脉冲暂时压缩，并通过多普勒效应转变为更短的波长。激光的辐射压力赋予等离子体镜以自然曲率，将多普勒增强的光束聚焦到一个更小的点上，理论上在这个点上可以实现超过三个数量级的强度增益。
Vincenti和Zaim强调，要达到接近施温格极限（约10^28 W/cm^2而非约10^25 W/cm^2）的关键在于将增强的光聚焦到尽可能小的体积中。他们目前正在探索多种途径以实现这样的紧密聚焦，例如通过使用外部的极紫外光学器件进行重聚焦。一些技术显示出极大的潜力，并将在未来的出版物中详细讨论。
在他们的最新论文中，Vincenti和Zaim并未假设用于紧密聚焦多普勒增强光的具体方法，以便在数值模拟中涵盖各种潜在选项。他们仅仅假设能够将光聚焦到尽可能小的体积，即达到衍射极限。
Vincenti和Zaim表示：「我们的结果非常令人振奋，因为它们表明，在实验室框架中接近Schwinger极限会引发新的、极其丰富的光与物质相互作用场景，这些场景处于现代物理学的前沿。」
他们发现，增强光与固体目标之间的简单相互作用引发了大量的SF-QED事件，这些事件主导了物理过程。通常情况下，30%至50%的增强光能在几十飞秒的时间内通过SF-QED过程转化为γ射线和电子-正电子对。
数值模拟还显示，他们的方法导致产生的γ光子和电子-正电子对聚集成以光速移动的密集火球。尽管这些火球的寿命极短，仅约1 fs，但研究小组认为它们可以模拟存在于黑洞和中子星附近的电子/正电子喷流，从而有助于揭示这些天体发出的辐射的来源。
Vincenti和Zaim指出：「在我们能够合理考虑的最高强度（>10^28 W/cm^2）下，我们发现物理过程变得更加剧烈：粒子产生的链式反应开始发生。」
换言之，光子和电子-正电子对会自我产生新的光子和正电子对，使得火球的密度呈指数级增长，超过固体密度的5000倍以上。认为这种链式反应机制有可能产生新的γ射线暴和先进的反物质源并非不合理。
Vincenti、Zaim及其同事还从理论上表明，他们的多普勒增强光与来自粒子加速器的高能电子束的碰撞也能带来有趣的结果。实际上，在这种配置中，电子静止框架中的场变得如此之高，以至于为SF-QED开发的微扰理论崩溃了。
Vincenti和Zaim解释说：「换句话说，截至目前，我们不知道在这样的实验中会发生什么。」
这种理论框架的缺失可能是由于非微扰量子场论的数学复杂性，以及长期以来研究人员认为在电子的静止框架中不可能达到如此高的电场。他们的推测是，这些结果将进一步激发对SF-QED非微扰机制的兴趣，并刺激更适合该机制的新理论或数值框架的发展。
迄今为止，研究人员获得的结果表明，进行接近Schwinger极限的实验将产生激动人心的新发现，这些发现可以极大地推动等离子体物理学和QED领域的发展。在接下来的研究中，他们计划与全球主要的激光设施合作，开始在实际实验中应用他们提出的方法。
Vincenti和Zaim表示：「我们预计面临的主要挑战是在具有实验缺陷（如激光和瞄准误差）和有限光束时间的真实环境中实际产生尽可能高的光强度（高达10^28 W/cm^2）。识别和克服未来的障碍将需要理论、数值和实验专业知识的综合运用。」
研究人员预测，在初始的实验中，他们将能够创造出强度约为10^25 W/cm^2的增强光。尽管这些强度仍然远离施温格极限，但它们将创造新的世界纪录，并为之前从未进行过的高影响力SF-QED实验铺平道路。
Vincenti和Zaim补充说：「然后，我们将利用先前实验的反馈和激光技术的未来进展，逐步增加增强光的强度，直至达到Schwinger极限。这将使我们能够观察到越来越壮观的SF-QED主导的相互作用。因此，我们相信未来将有激动人心的时刻。」
