研究背景介绍

 

等离子体是以自由电荷为主构成的宏观多粒子系统。在自然界中，等离子体是星际介质、恒星、地球电离层等物质存在的主要形态，约占宇宙可探测物质的95%以上；在实验室中，等离子体则与受控核聚变、等离子体刻蚀、光刻机光源等紧密联系。高功率激光可以在实验室产生毫米以下尺度的等离子体，其温度和压强都可以超过太阳的中心。通常将极端高温高密度的物质状态的研究称之为高能量密度物理。本人的研究主要是利用高功率激光产生等离子体，所以下面主要讨论激光等离子体。全世界都已建成或拟建有大型高功率激光装置，主要分短脉冲强场和长脉冲高能量两种类型，比如中国的10拍瓦（PW）激光装置（SULF，羲和）和神光系列装置，美国的国家点 火装置和Omega激光装置，欧盟的ELI激光装置，英国CLF激光装置，法国LMJ激光装置，日本的LFEX装置等。 未来的大型激光装置的参数有望到达百拍瓦、兆焦耳的短脉冲（飞秒、皮秒），并在多模式和多路协同模式下工作。尤其在中国，大科学装置的建设和人员支撑都位于国际前列。这将带来前所未有的研究机遇。基于小装置的一些研究虽然日趋成熟（接近工程和工业应用），但随着装置升级，年轻人仍然有空间可以提出全新的想法和概念（这在许多研究领域并非事实）。强激光产生并与等离子体相互作用的过程，可带来诸如惯约核聚变（inertial confinement fusion）、电子加速器（Compact Electron Accelerators）、次级辐射源（secondary radiation sources）、激光驱动离子加速器（Laser-driven Ion Acceleration）、强场QED（strong-field QED）、实验室天体物理（Astrophysics in the Laboratory）等潜在应用。

 

                                               

图1《强场激光物理》，沈百飞，2023科学出版社。

另有微信公共号文章： 书评 | 《强场激光物理》——超强激光物理的一份“曲面的地图” (qq.com)。

研究特点

 

  

                                    

         

图2：左图中显示，就像对撞机对粒子物理的推动、摩尔定律对计算机的推动一样，高强度激光技术的类摩尔定律（随时间的指数变化，技术爆发带来各种机遇）也推动强场物理的研究。右图中显示，与超强激光有关的研究领域。

 

激光等离子体物理中常常涉及到极端参数（温度、密度、电场和磁场等），多体和大小尺度耦合。这种强非线性系统，一个参数的微小变化就可以带来系统的巨大改变。针对这种复杂系统，传统的分析方法如微扰理论和第一原理的模拟，都变得很有限。但强非线性效应也让超强激光技术有望产生丰富的次生技术。同时，全球越来越多的激光装置和诊断手段的改进，也让数据的处理变得棘手。综合来说，更精确、多样的诊断手段，诊断数据的机器分析，新的物理模型和并行模拟代码，成了理解此种多尺度耦合、高度非线性系统的必备。换个角度，作为科学最前沿的复杂问题，对于全新技术比如机器学习，也提出了新的检验场所。比如，DeepMind公司的人工智能算法只有在围棋和蛋白质结构解析等领域得到检验，才获得巨大影响力。从现代科学活动看，激光等离子体的研究方向既没有太理论化，容易向形式主义转变，最后与物理学的实际问题脱离关系（比如一些理论物理方向）；也没有离基础理论太远，变成缺少智识的机械操作学科，从而难以借助基础理论的凝练和体系化优势（比如一些材料和生物方向）。同时该研究方向也很好地体现了不同于经典学科方法的一些特点，比如对学科交叉的开放态度（参考‘the data driven future of high energy density physics’）。该学科的影响力，也体现在处理对象的巨大Power，依赖巨大峰值功率（远大于三峡大坝的发电功率）的激光技术，相互作用区域可以比拟宇宙中最极端的环境（比如太阳、中子星等，所以无论是惯约可控聚变还是实验室天体物理，我们都可以被称作star builder）。总之，该方向很好体现了，逻辑符号（数理模型、程序代码），借助最尖端的powerful技术，对物质世界产生巨大影响。这对于训练现代科学思维也非常有用。

虽然微扰量子电动力学（perturbative QED）取得了巨大成功，以至于“shut up and calculate”成了最高准则。微扰量子电动力学理论能为相关的物理量提供极度精确的预测值，例如电子的异常磁矩及氢原子能级的兰姆位移（参见费曼的QED: The Strange Theory of Light and Matter一书）。但对于非微扰的量子电动力学（non-perturbative QED）仍有待探索。因为量子非局域特性和贝尔不等式的研究，2022年的物理诺奖颁给了量子信息的创始人。作为信息、计算和精密测量的量子研究，通常不会考虑到非微扰的量子电动力学。而对这一未开拓地的研究有望触及物理学的根本，包括已有QED理论和标准模型物理。这也激发下一代的新装置建设，比如中国上海的100拍瓦激光和硬X射线自由电子激光的联合装置。此外，随着美国国家点火装置的点火成功，下一步的高增益可控聚变能源的研究也提上日程。尤其是各种直接驱动方案。这通常也就需要高功率（拍瓦以上）、高能（k J以上）皮秒激光束来提供电子束或离子束，进行点火。

因此该研究领域，既有基础问题（量子电动力学根基），也有各种技术（激光，诊断仪器，超算，算法等）问题，更是涉及到各种学科交叉。既可以传承好的传统（装置和学科基础），又与时俱进，对新加入的年轻人存在大量开创性的机会（新的装置在不断建设，超算算力更强，新的工具比如机器学习等）和多样性选择（理论、模拟、实验等方面，甚至期刊编辑和科普宣传）。相关研究活动可服务国防应用研究，探索基础前沿科学，也可立足技术和工程和服务民生经济、生命健康等。保守的说，总有一个可以靠的上；进取的说，可以靠上好几个，也即同一个研究活动可能涵盖多个特点，影响辐射广泛。

图3  我国自主研制的“羲和”激光装置，最高可实现12.9 PW激光输出(图源：科创上海)

高性能计算模拟

 

过去二十多年里，高功率激光装置在全世界都有快速发展。随着人们对高功率激光驱动等离子体的理解加深，产生了许多潜在应用，比如高质量电子束、离子加速器、紧凑型光源和惯性约束聚变等。高功率激光与物质相互作用的丰富性，部分源自于物质在激光照射下转化为等离子体并产生许多高度非线性现象，以及等离子体本身可容忍高场强。理论上看，高强度激光脉冲会在短时间内、局部空间产生强电场和强磁场，并造成极端的粒子非热平衡分布以及各种集体效应。这种情况下，粒子的速度分布常常不能用流体模型中的平均值来描述，因此全动力学描述不可避免。基于大规模并行计算的PIC（Particle-In-Cell）模拟是目前超算算力可支持的、并在许多物理场景被广泛验证的一项通用技术。利用PIC模拟对激光等离子体物理的研究，有望加深对激光等离子体物理的理解，并为昂贵的大型激光装置带来更多实验方案和潜在应用。

 

计算模拟同实验一样对于等离子体物理研究不可或缺。计算模拟可以让我们进行各种探索，并提供量化的答案。计算模拟的内核还是理论。后者（理论公式）提供了计算模拟程序的具体细节，其中相关概念和分析也指引着研究的方向。我们对等离子体的理解也首先体现在这些公式中。但这些公式常常是多维、极端非线性，很难给出分析解。因此计算模拟可以有效拓宽传统的分析手段，给出更多可检验的方案和量化的预测。这极大地推动整个领域的科学活动，甚至促进多学科的交叉（比如高性能计算和人工智能、大数据在激光等离子体物理研究中的应用）。虽然实验才是检验理论和计算模拟的最终手段，但实验常常受限于当下已有的实验装置。比如目前的激光装置还没到达100PW（中国上海在国际上率先启动了100PW激光的建设项目），相关实验也就无从研究。但利用计算模拟的手段，我们可以研究100PW激光与等离子体相互作用。同时，激光脉冲的有限发数和昂贵价格，也要求大多实验方案需要现有理论和计算模拟的支撑。总的来说，从预研、经济等实际角度，计算模拟也能帮助科学家设计更高的激光装置和实验方案，提高诊断的技术，促进全新知识的发现和极端技术的发明，最终导致更多潜在的应用。

 

对于体积为10000立方厘米、密度为10¹⁵ cm-3的等离子体，模拟需要10¹⁹个粒子，其中每个需要6个自由度和48字节的内存来描述。总共有6x10¹⁹个自由度，需要的5x10⁸ TB的存储来表示。一次时间步长的积分操作需要的资源比Exascale级别（百亿亿次， 10¹⁸次每秒）超算所能提供的都要高出3个量级。而通常一次有效的模拟需要百万次时间步长的操作。这还没有考虑其他的限制。当然现实中我们不会用同等粒子数目来进行模拟，而是用宏粒子数目来代替真实粒子数目。最大的模拟可以给出10¹¹量级的自由度。因此在模拟技术上也挑战着超算的能力。2022年超算领域的ACM Gordon Bell Prize就颁给了基于超强激光的电子加速器的模拟（Exascale-Class超算），可见最尖端的超算技术与最前沿的激光等离子体研究之间的强强结合所带来的影响力。

                图4：下图来自WarpX官网