beat365官方网站重離子物理研究所、核物理與核技術國家重點實驗室馬文君研究員課題組與beat365官方网站顔學慶教授、韓國基礎科學研究院相對論激光科學中心南昌熙（Chang Hee Nam）教授團隊和中國工程物理研究院激光聚變研究中心等合作，利用碳納米管構築出新型靶材體系，在超強激光照射下，通過高能電子在微米尺度的回旋運動與非線性逆康普頓散射，産生了峰值亮度可媲美大型同步輻射光源的飛秒X射線光源，将該類脈沖光源的能量轉換效率提高了兩個數量級。該研究成果以“來自碳納米管等離子體的飛秒激光驅動高亮度硬X射線脈沖”（Brilliant femtosecond-laser-driven hard X-ray flashes from carbon nanotube plasma）為題，于2022年12月15日在線發表于《自然·光子學》(Nature Photonics)。

當前廣泛應用于各個學科的同步輻射光源是使用宏觀尺度的強磁場扭擺大型加速器産生的高能電子獲得的。超強飛秒激光的出現，為高亮度X射線光源的發展提供了新的可能性。研究者發現，當這樣的激光入射到由稀薄氣體形成的等離子體中，可以驅動其中電子的集體運動，将少量電子在幾毫米距離内加速至接近光速，産生高亮度X射線。基于這種激光尾波場加速方法的台面式同步輻射光源和X射線自由電子激光的可行性已被實驗證實。然而，目前這類光源從激光到X射線的能量轉化效率非常低，僅有10^-7-10^-5，極大地限制了它們的應用領域與發展前景。

馬文君課題組及其合作者，利用碳納米管構築了具有三維納米網絡結構的新型靶材，采用完全不同的方案來加速電子及産生輻射。當拍瓦級（1 PW=10¹⁵ W）的飛秒激光在其中傳播時，大量來自碳納米管的電子在光場中被直接加速至百兆電子伏特以上，并被上萬特斯拉的自生磁場所束縛，以微米尺度的回轉半徑做類同步輻射運動，發射大量X射線。此外，他們還在碳納米管靶後放置厚度僅為數十納米的類金剛石薄膜，用來反射穿過靶體的激光，通過反射光與前沖電子的逆康普頓散射來産生更高能的光子。聯合團隊通過這兩種機制，從激光到X射線的能量轉化效率被成功提升到了10^-3量級。在30 keV到1 MeV的能譜區間内（圖a），觀測到了超過10¹⁰ 光子/焦耳激光能量的硬X射線産額（圖b）。

圖a：此工作（紅色曲線）獲得的光子亮度與現有的X射線光源的對比。其中Spring8是位于日本兵庫縣播磨科學城的目前電子能量最高的同步輻射光源；圖b：此工作所處于的參數區間及單位激光能量的光子産額對比

這種高亮度X射線脈沖光源具有非常大的照射野，可實現對大體積樣品的飛秒皮秒尺度瞬态成像與物性研究，在國防科技、極端條件物性研究中有着重大的應用潛力。研究團隊在論文中的理論與模拟工作表明，如采用即将投入使用的功率更高的10拍瓦激光作為驅動源，産生的伽馬光子平均能量可達MeV以上，能量轉換效率可超過1%。這種高亮度高産額伽馬射線源，将為光核物理研究提供新的工具，也會為核素熒光探測、核廢料處理等應用提供新的可能性。

beat365官方网站博士後壽寅任為該文第一作者（原beat365官方网站博士畢業生），馬文君研究員與南昌熙教授為共同通訊作者。其他主要合作者還包括顔學慶教授、中國工程物理研究院激光聚變研究中心周維民研究員、加利福尼亞大學爾灣分校 Toshiki Tajima 教授等。

相關研究工作得到國家重點研發計劃、國家傑出青年科學基金、國家自然科學基金創新研究群體項目及北京激光加速創新中心等平台支持。

論文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41566-022-01114-8