張杰院士團隊20年創新之路：看準方向堅定前行

　　人類距離找到終極能源又近了一步。

　　11月底，張杰團隊即將開展第7輪試驗，驗證他們所提出的激光聚變方案可行性。事實上，前幾輪的試驗結果讓他們對未來更加充滿信心。這個方案凝聚了張杰和團隊成員20年的心血。

　　在物質世界中，科學家們為了能夠對物質微觀結構和瞬態變化過程看得更清、更細、更準、更快，不斷創造著新的技術手段。

　　激光便是其中之一，激光是人類20世紀以來的重大發明之一，被譽為“最快的刀”“最準的尺”“最亮的光”。

　　中國科學院院士、中科院物理研究所研究員張杰帶領其研究團隊經過20余年時間的努力，通過調控激光與物質的相互作用，產生了精確可控的超短脈沖高能電子束，并將其應用于激光核聚變的快點火研究和實現超高時空分辨高能電子衍射成像。而張杰，也因此貢獻獲得2021“未來科學大獎”物質科學獎。

　　超短與超強

　　推動物理學發展一般有兩種模式：重大的理論突破的引領作用和新手段、新方法帶來的認知能力的提升。

　　2018年諾貝爾物理學獎的一半授予因發明啁啾脈沖放大（CPA）技術的法國科學家杰哈莫羅（Gérard Mourou）和加拿大科學家唐娜?斯特里克蘭。CPA技術通過運用頻率維度操控飛秒激光脈沖，創造性地解決了飛秒激光脈沖無法放大的物理問題，將激光強度提高了6個數量級以上，為基礎科學、應用科學和前沿交叉學科的發展開拓了一片全新的領域。

　　飛秒時間有多短？舉個例子，一般照相機快門的開啟時間大約為百分之一秒，1飛秒只有1秒的一千萬億分之一，因此被稱為“超短”或者“超快”，而利用CPA技術放大后的飛秒激光脈沖的聚焦強度已經達到1022W/cm2（每平方厘米1億億億瓦）甚至更高，因此被稱為“超強”。

　　“強激光創造了極端物理條件，拓寬了物理學的研究領域，研究以前完全無法進行研究的科學問題。”張杰團隊成員、中科院物理所光物理實驗室主任、研究員李玉同告訴《中國科學報》。

　　“過去，我們在研究微觀物質世界的時候，往往以靜態為主，但構成微觀物質的原子等粒子其實都是處在運動狀態的。”李玉同介紹，如果要研究微觀世界的動態過程，就像拍照，只有相機“快門”的速度比運動速度更快，才可以拍出清晰的圖像。

　　張杰團隊研制的原子和尺度高能電子衍射與成像裝置，達到了亞埃級的超高空間分辨能力和50飛秒的超高時間分辨能力，可實現對凝聚態、生物、化學結構動力學過程的高時空分辨探測。這個時間分辨能力已經比現有的世界紀錄提高了兩倍多。

　　他們的下一個努力目標將是達到1飛秒量級的時間分辨能力，而這將是又一個亟待跨越的門檻。

　　尋找人類終極能源

　　強激光應用前景廣闊，包括激光核聚變、新型小型化粒子加速器、新型輻射源物理，以及天體物理過程等。

　　最受關注的莫過于激光核聚變了，它可以從根本上解決人類的能源問題。

　　張杰團隊成員、中科院物理所研究員張喆告訴《中國科學報》，激光驅動的受控核聚變是人類產生清潔高效安全新能源的一個重要研究方向，由于其單位質量燃料釋放能量的效率比化學能高1千萬倍，沒有長半衰期核廢料等特點。因此被廣泛認為是有效替代煤、石油等不可再生資源，成為一種更高效、清潔、安全的未來終極能源的選項。

　　同時，激光核聚變的原料氘大量存在于海水中。據統計，每1升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚變產生的能量相當于300升汽油，據初步估算，如果將1立方公里海水中的氘用于聚變反應，其釋放的能量就已經相當于全球石油儲量燃燒的能量。

　　然而，實現激光核聚變十分具有挑戰性。

　　李玉同解釋道，熱核聚變反應的發生需要極高的溫度與密度，以便克服氘氚核子之間的庫倫力并將核聚變反應產生的阿爾法粒子沉積在燃料中維持自持燃燒。其原理就好比一個小球（靶丸）受多束大能量強激光的均勻輻照，小球不斷向心收縮，在極短時間內被壓縮到極高的密度并加熱至極高的溫度。理想狀態下，小球在保持良好對稱性的同時，其密度、溫度和壓強會達到比太陽核心還高的程度，即核聚變反應的“點火條件”。

　　“但要做到這一點非常不容易。”李玉同坦承，尤其是球體的對稱性壓縮難以保持。

　　能否成功“點火”是實現激光核聚變的關鍵，傳統激光聚變的點火途徑是“中心點火”，但這需要使用巨大能量的激光裝置對氘氚燃料進行同步的壓縮和點火，而同步進行的壓縮和點火過程會引發極其復雜的非線性物理過程。美國曾耗資35億美元，歷時10多年建成國家點火裝置，自2009年起，進行了數千發點火實驗，但至今尚未實現點火增益。面對挑戰，積極探索改進方案和新方案具有重要意義。

　　張杰帶領其團隊結合近年快點火、強磁場等前沿進展，形成了系統的“雙錐對撞點火”方案。其中一個重要環節是通過激光-等離子體相互作用，把超強拍瓦點火激光的能量轉化成兆電子伏特的電子束能量，在強磁場的導引下，到達預壓縮聚變靶丸的點火區域，加熱此區域從而實現點火。

　　也就是說，在靶丸壓縮的過程中給其“臨門一腳”。

　　該方案有望大幅降低驅動激光的能量，進而更易獲得激光聚變能量，同時很好消解對靶壓縮過程對稱性的破壞，得到了國際同行的廣泛關注。

　　成功絕非一日之功

　　在團隊成員看來，持之以恒、對看準方向的道路，不管多艱難都絕不放棄，是張杰帶領團隊獲得科學成就的重要原因。

　　“張杰院士的新方案、新想法不是一蹴而就的，而是在堅持不懈的研究、深入理解其中的每個物理過程后，逐漸形成的。”李玉同說。

　　“雙錐對撞點火方案”其實是張杰于1997年還在英國牛津大學和盧瑟福實驗室工作時便已經形成雛形。1999年，他回到中科院物理所任光物理重點實驗室主任。那時，李玉同便是張杰回國后指導的第一批博士研究生之一，后來又繼續在張杰指導下進行博士后研究，從那時起，他們便開始仔細研討這一方案的可行性、逐步在不同激光裝置上開展系統的實驗。

　　在隨后的近二十年時間里，張杰即使在擔任了繁重的行政領導職務的情況下，也從未放棄對激光聚變新方案的思考與探索。

　　正是這種堅持和日積月累，張杰才能夠自2019年起，組建并帶領著由多所中科院研究所和重要大學科研人員組成的大型聯合研究團隊，利用強激光實驗研究平臺，在新型激光核聚變方案的理論和實驗研究方面取得了一系列重要突破。

　　目前，張杰團隊正在對雙錐對撞點火方案的分解物理目標進行系統的實驗研究，他們在中科院上海光機所的神光二號升級激光裝置上，已經完成了6輪實驗，取得了快速的進展。即使在新冠疫情期間，他們也沒有停止實驗。

　　“張杰對科研十分熱愛和執著，雖然他已經功成名就，但是在實驗中，他仍然親自擔任總指揮，親臨實驗現場，身先士卒，洞察實驗現象中的重要物理內涵，并與團隊成員一起解決實驗中出現的各種技術困難與問題。”這讓李玉同十分敬佩，張杰不僅有大方向上的把控，更有細節上的考慮，會在實驗出現困難時提出很多極有創意的指導。

　　張杰于1985年便加入了中國共產黨，當時他還在中科院物理所攻讀博士學位。擁有著36年黨齡的他時刻以身作則，始終發揮著黨員先鋒模范作用，把個人理想融入到面向國家重大戰略需求和中華民族偉大復興之中，深懷愛國之心、砥礪報國之志。張杰常對其團隊成員說：“我們生在一個偉大的時代，一個能成就夢想的時代，我們要珍惜這個時代的每一天、每一小時、每一分鐘。”張杰帶領著其研究團隊用實際行動踐行著中科院作為“國家隊”“國家人”，心系“國家事”，肩扛“國家責”的要求。

　　面對未來，張杰和其研究團隊成員們還在夜以繼日地工作著，他們對激光核聚變點火這一重要里程碑目標的最終實現充滿了信心和期待。