准粒子光源可与超高亮度的激光雷达媲美

一个国际科学家团队正在重新思考辐射物理学的原理，目标是创造出结构紧凑、使用相对方便的超强光源。

自由电子激光器（FEL）等相干光源可为研究生物、化学和物理现象提供超亮光束。虽然这些超亮光源可以增强从药物开发到芯片制造等许多应用的成像效果，但其巨大的体积和稀缺性使它们对大多数实验室、医院和企业来说并不实用。

来自罗切斯特大学、加州大学洛杉矶分校、葡萄牙高等理工学院（IST）和法国应用光学实验室的研究人员正在努力使更多人能够获得超亮光源。该团队正在探索新的配置，以更小的体积提供与当今最先进光源同样强大的辐射。

一组科学家在超级计算机上进行了先进的计算机模拟，提出了一种利用准粒子制造超亮光源的方法。伯纳多-马拉卡提供。

研究人员提出了一种基于准粒子的光源概念，利用发光粒子集合体的协调运动实现超亮光。准粒子光源依靠的是发光电荷集合体的集体宏观运动，它的演化和辐射方式与单个电荷的物理规律相反。

准粒子由许多同步运动的电子组成。它们可以以任何速度运动，并能承受强大的力，甚至是黑洞附近的力。准粒子光源有可能产生非常明亮的光线，而光线的传播距离很小。

"约翰-帕拉斯特罗教授说："准粒子最迷人的地方在于，它们能够以单个粒子的物理定律所不允许的方式运动。

利用准粒子可以在等离子加速器中实现时间相干性和超强辐射，使加速器提供的光亮度可媲美激光束。

帕拉斯特罗和他的同事们在欧洲高性能计算联合项目提供的超级计算机上运行先进的计算机模拟，研究了等离子体中准粒子的特性。他们发现，准粒子可以表现出集体行为，从而使准粒子的运动速度超过光速，尽管单个粒子的运动速度无法超过光速。

准粒子光源应用的关键是能够控制准粒子的轨迹、速度和加速度，所有这些都可以达到极致。

"研究员贝尔纳多-马拉卡说："灵活性是巨大的。"尽管每个电子都在进行相对简单的运动，但所有电子的总辐射量可以模仿出比光运动得更快的粒子或振荡粒子的辐射量，尽管本地没有一个比光运动得更快的电子或振荡电子。"

研究人员认为，准粒子辐射可以实现一类新的超亮光源。他们提出的概念有可能支持基于等离子体的超强光加速器的新配置，这种加速器可以提供具有从太赫兹到极紫外等多个波长的清晰实验特征的辐射。

要获得自由电子激光器的亮度，等离子体加速器必须具有时间相干性和超辐射性。这些都是制造紧凑型、经济型、等离子体加速器光源所需的基本要素，可用于替代目前世界上为数不多的自由电子激光光源。对于研究机构、大学、医院和工业实验室来说，获得基于准粒子的紧凑型高亮度光源将是一场变革。

研究人员设想了基于准粒子的光源的许多潜在应用，包括扫描病毒的成像、研究生物过程（如光合作用）、改进计算机芯片制造，以及探索构成行星和恒星的普通物质的行为。准粒子方法非常简单，适合在现有激光和加速器设施上进行实验演示。

这项研究发表在《自然-光子学》（www.doi.org/10.1038/s41566-023-01311-z）上。