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    深圳技术大学在《物理评论快报》发文揭示相对论强流电子束的分支流新物理现象
  • 时间: 2023/06/05
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  • 近日,深圳技术大学阮双琛教授和周沧涛教授团队在国际上首次将分支流现象引入到高度非线性的高能量密度物理领域,发现了相对论强流电子束在多孔泡沫中的分支流新物理现象及规律。研究成果以“Branching of high-current relativistic electron beam in porous materials”为题于5月2日在国际物理学领域顶级期刊《Physical Review Letters》上发表。团队博士后蒋轲为论文第一作者,黄太武教授、周沧涛教授和阮双琛教授为论文共同通讯作者。所有作者均为深圳技术大学工程物理学院、先进材料测试技术研究中心、深圳市超强激光与先进材料技术重点实验室的科研教学人员。

     分岔是自然界中随处可见的现象,如树枝的生长、河水的分流、毛细血管的结构、宇宙暗物质分布等。分岔在物理世界中也被称之为分支流,它指的是波或粒子束流在具有空间长程关联的弱无序介质中传输时,形成类似树枝状分岔细丝结构的物理现象。分支流本质上是当背景介质的非均匀关联长度大于波长时,波的一种特殊散射方式,是由背景介质的不均匀性引起的普适物理现象。研究表明宇宙中天体形成、脉冲射线产生、海洋中海啸传播、光在肥皂膜内传播、半导体中载流子运动等均与分支流有关。

     目前针对分支流现象的研究主要集中在低能量密度的线性物理区间,即波或粒子束流在传输过程中并不改变背景介质的相关性质。在强激光或强流粒子束驱动的高能量密度物理研究中,关于分支流现象的研究仍未开展,特别是背景介质不均匀性的影响规律至今仍不清楚。近期,深圳技术大学研究团队通过大规模计算模拟研究发现,相对论强流电子束在多孔泡沫中传输时可分岔形成致密的分支结构,这种分支流输运机制可带来强流电子束的极限聚焦和高效能量耦合:电子束流密度在散焦面附近可获得数百倍提升,而电子束与泡沫介质的能量耦合效率也要高出均匀情形两个数量级。相对论电子束的分支流传播归因于泡沫多孔结构中的弱无序自生电磁场,是一种由介质微观结构引起的全新电子输运机制。

     该工作首次揭示了多孔介质微观随机结构在高能量密度物理研究中的显著影响,有望拓展高能量密度物理的研究内容和应用场景,为操控强流高能电子束的聚焦、传输及能量耦合过程提供一种新的途径,对激光聚变、激光加速器、激光核物理、实验室天体物理等领域的研究产生重要影响。此外,该工作也揭示了复杂随机系统中某些基本行为的普遍性,对诸如海洋中巨浪形成等非线性分支流研究具有重要参考意义。

     该成果也是该团队继2021年12月发表学校首篇《物理评论快报》(Physical Review Letters 127, 245002 (2021).)之后,在电子输运研究方面取得的又一项重要突破。本研究得到了国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金项目、深圳市重点实验室组建项目、深圳市优秀青年基金项目以及深圳技术大学高层次人才科研启动项目的资助与支持。相关模拟工作在深圳技术大学先进材料测试技术研究中心的六百万亿次/秒超算仿真模拟平台上完成。

     论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.185001


     供稿 | 先进材料测试技术研究中心/工程物理学院 蒋轲 黄太武


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