中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，超強(qiáng)激光和高能電子束的碰撞可甄別電子動(dòng)力學(xué)的經(jīng)典和量子電動(dòng)力學(xué)（QED）行為邊界，為理解極端強(qiáng)場(chǎng)下光與物質(zhì)相互作用的基本規(guī)律提供了重要途徑。相關(guān)成果發(fā)表在［Communications Physics 2， 66 （2019）］。

帶電粒子的運(yùn)動(dòng)及其輻射是最古老的電磁學(xué)問(wèn)題之一。高能電子速度發(fā)生變化時(shí)將產(chǎn)生輻射，同時(shí)受到輻射反作用力。在弱場(chǎng)中，輻射反作用力一般可以忽略，相對(duì)論電子的行為由洛侖茲力決定。而當(dāng)激光強(qiáng)度超過(guò)一定閾值時(shí)，電子動(dòng)力學(xué)必須考慮輻射反作用力的影響。在一定的近似下，Landau和Lifshitz給出了描述輻射反作用力的經(jīng)典表達(dá)式（LL方程）。近來(lái)的研究表明，在輻射主導(dǎo)情形下，經(jīng)典圖像也許不再適用。當(dāng)單個(gè)輻射光子的能量可以與電子本身的能量相比擬時(shí)，輻射將從連續(xù)變得離散，而且體現(xiàn)出很強(qiáng)的隨機(jī)效應(yīng)，準(zhǔn)確的描述須依賴強(qiáng)場(chǎng)QED理論。從洛侖茲力、經(jīng)典LL方程到強(qiáng)場(chǎng)QED理論，如何辨別超強(qiáng)光場(chǎng)電子動(dòng)力學(xué)的正確描述方法，是理解百拍瓦級(jí)激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)與前提。

上海光機(jī)所團(tuán)隊(duì)深入研究了10－100拍瓦的激光與能量為數(shù)百M(fèi)eV的電子束的橫向碰撞過(guò)程，發(fā)現(xiàn)電子的透射、反射行為在不同的理論框架下體現(xiàn)出迥異的特性：不考慮輻射反作用力時(shí)高能電子將直接穿過(guò)激光束，經(jīng)典的LL方程則預(yù)言電子能量消耗殆盡以致全部被散射。QED圖像介于兩者之間，部分電子透射而部分被散射，這正是離散、隨機(jī)的量子特性的深刻反映。基于此，研究者進(jìn)一步提出測(cè)量散射電子數(shù)量和角分布的方法，以揭示不同的參數(shù)范圍下電子動(dòng)力學(xué)究竟由何種理論描述。該項(xiàng)研究預(yù)示在未來(lái)的10－100拍瓦激光裝置上，人們將有機(jī)會(huì)觀察到極端強(qiáng)場(chǎng)下高能自由電子的量子力學(xué)行為。

相關(guān)工作得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院B類(lèi)先導(dǎo)專項(xiàng)以及青年千人計(jì)劃的支持。

（a）激光與電子束橫向碰撞示意圖。（b）反射電子的角分布。（c） 電子反射率。

圖片來(lái)源：上海光機(jī)所