激光，是人類最偉大的發(fā)明之一，被認(rèn)為是“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”。這道光焦點(diǎn)下的微觀物質(zhì)世界，如此令人著迷，讓張杰研究了30多年。

2021年的未來科學(xué)大獎(jiǎng)如約而至，其中的物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了上海交通大學(xué)/中科院物理所張杰院士，獎(jiǎng)勵(lì)他與其團(tuán)隊(duì)通過調(diào)控激光與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生精確可控的超短脈沖高能電子束，并將其應(yīng)用于激光核聚變的快點(diǎn)火研究和實(shí)現(xiàn)超高時(shí)空分辨高能電子衍射成像。

何為激光核聚變的快點(diǎn)火研究？超高時(shí)空分辨高能電子衍射成像意味著什么？日前，張杰從繁忙的科研工作中專門抽出時(shí)間，接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）專訪，解讀獲獎(jiǎng)成果的科學(xué)意義，并對(duì)年輕科研人員的未來發(fā)展提出建議。

張杰院士張杰說，物理學(xué)家喜歡探索的科學(xué)問題有兩類，第一類是人類社會(huì)發(fā)展中遇到的瓶頸性難題，比如當(dāng)前人類社會(huì)發(fā)展迫切需要解決的最大難題—終極能源問題，第二類是自然界中最難以理解的奧秘，比如微觀世界的結(jié)構(gòu)與功能。激光具有極好的方向性、相干性和偏振等特點(diǎn)，因此，激光和物質(zhì)相互作用可以產(chǎn)生精確可控的超短脈沖高能電子束。一方面，高能電子束可以將其攜帶的能量精準(zhǔn)地輸運(yùn)到預(yù)先壓縮的聚變?nèi)剂现校瑢?shí)現(xiàn)快速加熱，引發(fā)核聚變反應(yīng)。核聚變能由于其燃料來自海水、效率是化石能源的千萬(wàn)倍、沒有長(zhǎng)期的核廢料、沒有碳排放等特點(diǎn)，因此被視為未來社會(huì)的“終極能源”。

另一方面，超短脈沖高能電子束也可以作為極其敏感的探針，為探測(cè)微觀世界的超快動(dòng)力學(xué)過程，提供超高時(shí)空分辨的研究手段。張杰團(tuán)隊(duì)研制的高能電子衍射與成像裝置達(dá)到了亞埃級(jí)的超高空間分辨能力和50飛秒的超高時(shí)間分辨能力。

1飛秒等于1000萬(wàn)億分之一秒，在張杰團(tuán)隊(duì)之前，時(shí)間分辨能力的國(guó)際最好水平是150飛秒。“微觀物質(zhì)世界有不少重要的超快過程的時(shí)間尺度恰巧在100飛秒左右，所以當(dāng)我們的裝置達(dá)到50飛秒的時(shí)間分辨能力時(shí)，就使人類第一次具有了直接觀察微觀世界這些超快過程的能力了。”張杰打了個(gè)比方，就像對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體的攝影，只有相機(jī)“快門”的速度比運(yùn)動(dòng)速度更快，才可以清晰成像。

從上世紀(jì)九十年代以來，對(duì)激光焦點(diǎn)下微觀世界前沿的不斷探索與發(fā)現(xiàn)，讓張杰著迷了30多年。9月12日，在接到未來科學(xué)大獎(jiǎng)物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)通知的那一刻，他正在與團(tuán)隊(duì)成員一起開會(huì)，對(duì)剛結(jié)束的夏季實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。

“我不太贊成將學(xué)習(xí)和科學(xué)研究比喻作‘學(xué)海無涯苦做舟’的苦行僧文化?？茖W(xué)探索的根本驅(qū)動(dòng)力是人類的好奇心，這是人類長(zhǎng)期以來得以進(jìn)化的本能之一，因此，學(xué)習(xí)和科學(xué)探索的過程其實(shí)是非?？鞓返?。我們一定要學(xué)會(huì)享受學(xué)習(xí)和科學(xué)探索過程本身帶來的快樂?！睂?duì)于年輕科研人員和學(xué)生，張杰給出了他的建議。

很多時(shí)候，我們過分強(qiáng)調(diào)了科學(xué)研究的枯燥，其實(shí)探索自然界奧秘的好奇心和解決難題的滿足感是對(duì)科學(xué)家探索最大的激勵(lì)。“我們科學(xué)探索的回報(bào)就是發(fā)現(xiàn)的樂趣和好奇心的滿足，我們認(rèn)為這要比美食、游戲或其它娛樂活動(dòng)所產(chǎn)生的多巴胺要強(qiáng)得多。”張杰開玩笑說。

實(shí)驗(yàn)室里的“人造太陽(yáng)”：可控核聚變的兩條研究路都走到了門檻

太陽(yáng)和許多恒星的內(nèi)部溫度高達(dá)千萬(wàn)攝氏度以上，每時(shí)每刻都在發(fā)生著劇烈的核聚變反應(yīng)。張杰介紹，太陽(yáng)每秒放出的能量約為3.9×10^26焦耳，雖然到達(dá)地球表面的僅為太陽(yáng)每秒釋放能量的10億分之一，但這也是巨大的能量，正是這個(gè)能量，才使得地球上的一切生命活動(dòng)成為可能。

核聚變反應(yīng)是宇宙中的普遍現(xiàn)象，它是恒星（例如太陽(yáng)）的能量來源。核聚變能也是全世界能源發(fā)展的前沿方向，如果人類可以掌控這種能量，就能擺脫目前地球的能源與環(huán)境危機(jī)的困擾。

可控核聚變所需要的原料是氫元素中的兩個(gè)同位素氘和氚。氘可從海水中提取，氚可以由地球上儲(chǔ)量非常豐富的鋰生成。據(jù)估測(cè)，1升海水中提取出的氘若完全參與聚變反應(yīng)，放出的能量相當(dāng)于300升汽油燃燒釋放的能量。而氚又名超重氫，半衰期12年，它與氘之間的聚變反應(yīng)相對(duì)起來最容易。

張杰介紹，一立方公里海水所含的氘經(jīng)過聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量就相當(dāng)于地球上所有石油儲(chǔ)備產(chǎn)生的總能量，因此聚變能源的開發(fā),將“一勞永逸”地解決人類的能源需要。但人類若想要在地球上成功實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)，從而獲得巨大能量，就必須創(chuàng)造以下三個(gè)必要條件。

一是極高的溫度，以使氘氚燃料成為超過1億攝氏度的熱等離子體；二是極高的密度，以使氘氚原子核發(fā)生量子隧穿的概率變大，而且便于將聚變產(chǎn)生的阿爾法粒子能量留下來繼續(xù)參與核聚變反應(yīng)；三是等離子體在有限的空間里被約束足夠長(zhǎng)時(shí)間。

到目前為止，人類對(duì)受控核聚變的研究主要分為兩類。一是磁約束核聚變，典型的實(shí)驗(yàn)裝置如中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）和法國(guó)的ITER實(shí)驗(yàn)裝置。

中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）

法國(guó)的ITER實(shí)驗(yàn)裝置二是激光核聚變，典型實(shí)驗(yàn)裝置如我國(guó)的神光激光裝置和美國(guó)的國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）。占地面積有三個(gè)足球場(chǎng)那么大的NIF采用傳統(tǒng)的中心點(diǎn)火激光核聚變方案。NIF從2010年開始正式的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，在今年8月8日的一個(gè)發(fā)次中已經(jīng)接近核聚變反應(yīng)輸出能量與輸入能量的平衡點(diǎn)。

我國(guó)的神光激光裝置激光核聚變由燃料壓縮和加熱兩個(gè)階段組成。張杰告訴澎湃新聞（www.thepaper.cn），傳統(tǒng)的中心點(diǎn)火激光核聚變方案需要使用巨大能量的激光裝置對(duì)氘氚燃料進(jìn)行同步的壓縮和點(diǎn)火，而同步進(jìn)行的壓縮和點(diǎn)火過程會(huì)涉及極其復(fù)雜的非線性物理過程。他認(rèn)為這種方案可以作為受控激光核聚變過程的研究方案，但是由于效率不高，未來真正作為核聚變能量的產(chǎn)生，還需要探索其它點(diǎn)火方案。除美國(guó)之外，世界上還有其它不同的激光聚變點(diǎn)火方案正在研究之中。比如張杰團(tuán)隊(duì)目前正在探索另一種點(diǎn)火方案，采用特殊設(shè)計(jì)的激光波形與靶構(gòu)型，將壓縮過程與點(diǎn)火過程分離，并通過精確調(diào)控的超短脈沖高能電子束對(duì)壓縮后的燃料進(jìn)行快速點(diǎn)火，降低物理上的不穩(wěn)定性，同時(shí)提高激光能量到點(diǎn)火能量的效率。

其中對(duì)超短脈沖高能電子束的精確調(diào)控是點(diǎn)火的關(guān)鍵。自上世紀(jì)九十年代以來，張杰團(tuán)隊(duì)經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)與理論的研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高能電子束發(fā)射方向與能量的精確調(diào)控，并實(shí)現(xiàn)了表面自生電磁場(chǎng)對(duì)高能電子束的引導(dǎo)和聚焦。

“我們的激光聚變實(shí)驗(yàn)研究主要是使用中科院上海光機(jī)所的神光二號(hào)激光裝置，目前我們的方案已經(jīng)完成了6輪實(shí)驗(yàn)，并取得了不小的進(jìn)展?！?/p>

神光二號(hào)升級(jí)激光裝置是我國(guó)自主研制的大型激光裝置。張杰對(duì)澎湃新聞（www.thepaper.cn）表示，接下來團(tuán)隊(duì)還會(huì)在神光二號(hào)激光裝置進(jìn)一步升級(jí)的同時(shí)，再做12輪實(shí)驗(yàn)，他們的目標(biāo)是在2026年驗(yàn)證阿爾法粒子的自加熱，為快點(diǎn)火方案的實(shí)現(xiàn)提供堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

核聚變兩大產(chǎn)物之一是阿爾法粒子，“每個(gè)阿爾法粒子帶有3.5MeV（兆電子伏）能量，在實(shí)驗(yàn)中我們會(huì)想辦法把這個(gè)能量留下來，以便繼續(xù)加熱氘氚等離子體，實(shí)現(xiàn)自持燃燒?！?/p>

“人類為磁約束核聚變和激光核聚變反應(yīng)點(diǎn)火的實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)努力數(shù)十年的時(shí)間?！睆埥苷f，如今這兩種核聚變的研究道路都“走到了門檻”：核聚變輸出的能量和輸入的能量達(dá)到平衡點(diǎn)，下一步要朝輸出能量大于輸入能量百倍的里程碑目標(biāo)繼續(xù)努力。

當(dāng)聚變反應(yīng)的輸出能量大于輸入能量百倍時(shí)就可以探索建立商用電站了。如果聚變能源能夠早日實(shí)現(xiàn)，將是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的根本保證。“有一種說法認(rèn)為我們做核聚變的人永遠(yuǎn)說實(shí)現(xiàn)聚變還有50年，但我覺得這一次我們的時(shí)間不會(huì)再往后推了，因?yàn)槲覀冋娴囊呀?jīng)來到了門檻?！睆埥苷f。

超短脈沖電子衍射與成像：進(jìn)入50飛秒的超快“亞?！痹邮澜?/p>

物理科學(xué)家主要探索兩類問題，第一類是制約人類社會(huì)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸性難題，第二類則是自然界中最難以理解的奧秘，比如微觀世界的結(jié)構(gòu)與功能。

如果說上個(gè)世紀(jì)主要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)大都與物質(zhì)微觀世界的空間結(jié)構(gòu)有關(guān)，在這個(gè)世紀(jì)，人類更希望在了解物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，深入理解物質(zhì)微觀世界的功能，也就是物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)隨時(shí)間快速變化的動(dòng)力學(xué)過程，這就需要同時(shí)具有超高的空間分辨能力與超高的時(shí)間分辨能力。

電子顯微鏡具有超高的空間分辨能力，但是沒有超高的時(shí)間分辨能力，因此只能探測(cè)靜態(tài)的物質(zhì)微觀世界的空間結(jié)構(gòu)。

“任何物質(zhì)的原子其實(shí)在不停地快速運(yùn)動(dòng)，所以對(duì)微觀時(shí)間中原子的觀察，就需要在超高空間分辨能力的基礎(chǔ)上再加上超高的時(shí)間分辨能力。我們做的事情就是把電子顯微技術(shù)的超高空間分辨能力與超快光學(xué)技術(shù)中超高的時(shí)間分辨能力結(jié)合在一起，這樣就可以研究以前我們認(rèn)為是靜止的，但其實(shí)在時(shí)間上一直在演化的微觀世界的超快動(dòng)力學(xué)過程。”張杰告訴澎湃新聞（www.thepaper.cn）。

他們研制的超短脈沖兆電子伏特電子衍射與成像裝置達(dá)到了亞埃級(jí)的空間分辨能力。埃是長(zhǎng)度單位，1埃等于百億分之一米，而亞埃則是比埃更小的尺度。他們還將裝置的時(shí)間分辨能力提高到創(chuàng)紀(jì)錄的50飛秒，而1飛秒等于1000萬(wàn)億分之一秒，此前國(guó)際最好水平是150飛秒。

“微觀物質(zhì)世界中的許多超快物理與化學(xué)過程都發(fā)生在100飛秒左右的時(shí)間尺度，所以當(dāng)我們的裝置同時(shí)具有了亞埃級(jí)的空間分辨能力和50飛秒的時(shí)間分辨能力，就意味著只有我們可以在原子尺度上看清楚這些超快的動(dòng)力學(xué)過程?！睆埥艽蛄藗€(gè)比方，就像對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體的攝影，不管運(yùn)動(dòng)速度有多快，只要相機(jī)快門的速度更快，就可以清晰成像。

高性能時(shí)間分辨角分辨光電子能譜儀及兆伏特超快電子衍射裝置利用這臺(tái)裝置，張杰團(tuán)隊(duì)與合作者成功地實(shí)現(xiàn)了超快光場(chǎng)對(duì)量子材料維度的調(diào)控，觀察到瞬態(tài)的光致新奇物態(tài)；實(shí)現(xiàn)了對(duì)光誘導(dǎo)的新型相變以及單分子成像等重要物理與化學(xué)超快過程的首次觀測(cè)?！霸趯?duì)微觀物質(zhì)世界的超快動(dòng)力學(xué)過程觀察方面，人類的夢(mèng)想之一就是希望能夠制作單分子運(yùn)動(dòng)的電影?！北热?，盡管我們可以寫出二氧化碳分子的化學(xué)公式，但卻沒有直接觀察過二氧化碳單分子究竟長(zhǎng)什么模樣、二氧化碳分子如何運(yùn)動(dòng)。

張杰說，物理學(xué)家的責(zé)任就是直接看到單分子圖像，并將單分子運(yùn)動(dòng)的圖像拍攝下來，以便深入研究?！拔覀兿扔靡淮w秒激光脈沖將二氧化碳分子排好隊(duì)，接下來用超短脈沖高能電子束觀察排好隊(duì)的二氧化碳分子，就可以把二氧化碳分子在不同時(shí)刻的位置和結(jié)構(gòu)全看清楚了，然后將不同時(shí)刻的圖像排列起來，就可以形成單分子電影了?！?/p>

對(duì)于未來，在超高時(shí)空分辨的電子衍射和成像方面，張杰說，團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)努力目標(biāo)是達(dá)到1飛秒量級(jí)的時(shí)間分辨能力，這將是又一個(gè)非常重要門檻。50飛秒的時(shí)間分辨能力可以讓我們看清楚原子的運(yùn)動(dòng)過程，如果實(shí)現(xiàn)1飛秒量級(jí)的時(shí)間分辨能力，人類能看到電子的運(yùn)動(dòng)過程，從而對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和功能的了解產(chǎn)生重要突破。

“物理學(xué)家的責(zé)任，不但是要看得見，還需要獲得關(guān)于單分子如何組成，為什么會(huì)這樣運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性認(rèn)識(shí)?！贝藭r(shí)的張杰，眼中閃爍著興奮。