江蘇鐳射聯盟導讀：

在實驗室中生產高密度、相對論性的電子-正電子對等離子體可以顯著加深對脈衝星和類星體等外來天體物體的理解，但這極具挑戰性。隨著高強度鐳射技術的發展，幾種產生方法已經被證明或被提出，在不同的鐳射強度範圍內，不同的機理支配著物理學。例如，Schwinger機制需要極高的強度，高於約1029W / cm²，才能從真空中自發形成一對，而Breit-Wheeler(BW)機制對於雪崩型放電則需要約1024 W / cm². 這些強度遠遠超出了最先進的鐳射器的能力（高達10²² W / cm²）。

另一種方法是將鐳射產生的高能電子注入到高Z靶材料中，原子核的靜電場參與成對產生過程，從而釋放了對鐳射電場強度的約束。如果使用厚的轉換靶，則正電子主要透過三步Bethe-Heitler（BH）過程產生。首先，相對論電子透過靶正面的鐳射等離子體相互作用(laser plasma interaction, LPI)產生。這些電子然後透過高Z靶材料傳輸並透過Bre致輻射產生高能光子。然後，高能光子在原子核場中的傳播會產生電子-正電子對。關鍵步驟是將鐳射能量轉換為足夠的高能量電子，為此，僅需要中等強度的鐳射（〜10²º W / cm²）。使用這種型別的裝置進行的實驗最多可產生10¹²對/發射，這是迄今為止使用鐳射報道的最高產量。

研究人員在本文中透過實驗證明了使用靶結構在產生的正電子的產率和能量上都有實質性的提高，這提出了一種改進正電子源的有效而廉價的方法。用程式碼Chicago²¹進行的單元內粒子(Particle-in-cell, PIC)模擬已用於解釋實驗結果，並允許直接模擬LPI對正電子產率的影響。而且，模擬結果與實驗資料吻合良好。

實驗裝置的示意圖如圖1(a)所示。用OMEGA EP鐳射脈衝輻照結構化的靶標，該鐳射脈衝的波長為1.053μm，能量為500μJ，脈衝長度約為700 fs。80％的鐳射能量被封裝在直徑為35μm的焦點中，這是由即時波前和遠場測量得出的。根據測得的注量圖，峰強度估計為4.5××10²º W / cm²。在實驗之前，透過熱電子溫度的PIC模擬對結構的幾何形狀（間距和長度）進行了最佳化。這種幾何結構（我們稱為結構1）是直徑為3μm，長度為13μm，中心距為15μm的矽微線陣列。作為參考，我們還拍攝了平坦的目標以及另一種未最佳化的結構（結構2），該結構在模擬中顯示出對電子能量的有害影響。結構2的直徑為3μm，長度為100μm，中心距為7μm。後一個目標中的微絲的長度比鐳射的聚焦深度長得多，並且它們之間的間距比鐳射焦點的尺寸小得多，因此它們在傳播過程中往往會破壞鐳射脈衝，從而導致鐳射質量差臨界密度表面的強度。因此，它們導致了低能電子光譜。

▲圖1. (a) 實驗裝置的示意圖。(b) 預先最佳化的目標結構1的掃描電子顯微鏡（SEM）影象。(c) 未最佳化的結構2的SEM影象。

圖1(b) 和 (c) 顯示了實驗中使用的兩種靶結構的掃描電子顯微鏡影象。首先透過汽-液-固生長法在矽⟨111⟩晶圓上生長高度為100μm的矽微線陣列（結構2），而從矽⟨100⟩晶圓上蝕刻出較短的微線陣列（結構1）然後透過深度反應離子刻蝕將微絲嵌入約30μm厚的聚二甲基矽氧烷層中，並從基材上剝離下來。然後將此薄的二甲基矽氧烷層膠合到1 amm厚的Au背襯層。在這種情況下，由表面結構生成和引導的高能電子將透過厚的高Z靶材料（Au）傳輸並誘導成對產生。實驗中使用的金塊的橫向尺寸也為1 mm。鐳射以法線入射方向對準目標，微線陣列沿鐳射方向定向。在先前的工作中已經證明了這種配置可以最大程度地增強電子能量。透過電子/正電子能譜儀沿著鐳射方向在靶背面測量了正電子光譜。

在以前的研究中使用微小的金礦樣品製造了約1000億個反物質顆粒。而該實驗將其翻倍了。這些成功的實驗結果對於Livermore正電子專案很重要，該專案的主要目標是製造足夠的電子-正電子反物質來研究伽馬射線爆發的物理學。該專案的負責人Hui Chen表示，“我們發現實驗還建立了可以穿透非常密集的物體的高能量（MeV）X射線背光燈，這對於高能量密度科學的許多方面都很重要。”

當在高能粒子碰撞期間（例如在高能粒子碰撞期間）將足夠的能量壓縮到一個很小的空間中時，會自動生成粒子對-反粒子對。當能量轉化為質量時，物質和反物質的產生量相等。在這些實驗中，強烈的鐳射-等離子體相互作用產生了非常高的能量電子，其能量與金靶相互作用時可以產生電子-正電子對。

研究人員使用先前的結果和新的模擬來設計微結構，這些微結構可以增強或減小這種相互作用，從而導致相對於現有技術增強或抑制正電子的產生。該實驗合著者Anthony Link表示：“模擬與實驗之間的協議非常出色，使我們充滿信心，我們正在捕捉最重要的物理機制。”

在小型實驗室中產生大量正電子的能力為反物質研究的新途徑打開了大門，其中包括對各種天體物理現象（如黑洞和伽馬射線爆發）以及形成緻密電子的途徑的物理基礎的理解正電子等離子體在實驗室中。

總之，該實驗證明前表面靶結構可顯著提高正電子的產量和能量，從而構成了一種將鐳射產生的正電子源用於實驗室天體物理學應用的經濟有效的方法。後續模擬解釋了由靶結構操縱的鐳射-等離子體相互作用如何影響正電子的產率和能量的整個過程。模擬和實驗光譜之間的一致性表明，使用兩階段PIC模擬可以進一步最佳化目標。

“在典型的金靶上新增前表面微觀結構，是一種在保持相同鐳射條件的同時大幅提高正電子產量的經濟有效的方法。這是朝著將鐳射產生的正電子源用於各種應用的一步。”該論文的主要作者姜勝說。

該實驗由LLNL在美國能源部的主持下進行，由LDRD、美國能源部科學辦公室和洛克希德·馬丁公司資助。此外還有加州理工學院Kavli奈米科學研究所的工作人員在製造方面的技術支援。

本文來源：S. Jiang et al. Enhancing positron production using front surface target structures, Applied Physics Letters (2021). DOI: 10.1063/5.0038222