近期，我校数理学院沈百飞研究员和中国科学院理论物理研究所弓正副研究员团队提出了一种新型高效的粒子加速机制，称为“相对论电磁激波加速机制”。
在宇宙中，超新星爆发等剧烈天文事件会产生以接近光速运动的大尺度等离子体喷流。当这种相对论等离子体撞击宇宙预先存在的磁场（如含有大范围磁场的天体）时，只要其动能密度远大于磁场的磁能密度，磁力线将被剧烈压缩，导致磁场强度显著增强。理论表明，若压缩速度接近光速，磁场强度可增强为原来的
（为等离子体的相对论因子）。在这一过程中，快速变化的磁场将激发横向电场，静磁场被快速压缩后变成了超强电磁波，我们称之为“相对论电磁激波”。
图1. 相对论运动的等离子体天体压缩磁场可形成相对论电磁激波，加速带电粒子。
相对论电磁激波中的电磁波传播速度略快于激波前沿所伴随的相对论等离子体流速，使得激波的平台区逐渐变宽。带电粒子进入该区域后，受到横向电场的持续作用获得能量，同时在增强磁场的引导下其轨迹发生偏转，最终垂直激波面逸出。通过哈密顿量分析可得，带电子粒子的最大能量与成正比（为带电粒子的初始相对论因子）， 图1为示意图。值得强调的是，该结果表明带电粒子所获得的最大能量与初始静磁场强度没有直接关系，即使初始静磁场很弱，只要激波加速区域的尺度足够大，粒子仍有可能被加速到极高的能量。图2显示了横向加速距离与初始磁场之间的定标关系，进一步说明了该结论的普适性。
图 2 质子最大加速距离与初始磁场强度的关系以及最大能量。线条表示质子最大加速距离与磁场强度的关系，假定天体的速度为。彩色区域显示了星际物质（ISM）、脉冲星风星云（PWN）、伽马射线暴（GRB）、活动星系核（AGN）、白矮星（WD）和中子星（NS）等天体的典型磁场强度和距离范围。
那么，这一机制是否可以在实验室中实现？是否能够利用它在实验室中产生高能粒子束？
目前，超强激光的功率已达到10拍瓦，正在上海张江建设的“极端光物理线站”则计划实现50拍瓦级别的激光输出。如此高强度的激光在聚焦后能够产生极强的光压。早在2001年，沈百飞研究员曾在理论上提出，可利用超强激光的光压整体加速纳米厚度的薄膜靶，从而产生高能离子，这一机制也常被称为“光压加速”。如果将以接近光速运动的薄膜靶与静磁场结合，就可以通过快速压缩磁场，形成超强的电磁激波来加速带电粒子。
为验证“相对论电磁激波加速机制”的可行性，研究团队开展了激光等离子体数值模拟研究。结果表明，当强度为约为的超强激光脉冲作用于等离子体并压缩静磁场时，所激发的电场能够将质子加速到超过10 GeV。
展望未来，这一新的加速机制具有潜在的发展前景。由于粒子加速主要发生在横向方向，借助线聚焦以及横向飞行焦点等技术手段，可以进一步延长加速距离，从而提高粒子的最终能量。此外，该机制也非常适合实现多级激光等离子体相互作用的级联加速（如图3所示）。
图 3 相对论电磁激波级联加速示意图。可采用横向飞行焦点激光作为驱动源，磁场方向需根据粒子的运动方向进行改变，以确保横向电场始终沿y方向。
该研究成果发表于Advanced Science（https://doi.org/10.1002/advs.202503538），第一作者为上海师范大学的博士研究生肖婷，沈百飞（研究员）和弓正（副研究员）为通信作者。文章的合作者还包括：上海师范大学的张晓梅(研究员)、孔凡秋（博士生）和郑小龙（讲师）。
供稿、供图：数理学院