Nature：清华大学唐传祥等首次通过实验证明稳态微束机理学术资讯

来源：iNature

粒子加速器作为光子源的使用促进了科学技术的发展。目前，此类光源的主要来源是基于存储环的同步加速器辐射设施和基于线性加速器的自由电子激光器。同步辐射装置由于其时间上不相干的性质，因此可以提供具有高重复率但功率相对较低的光子。自由电子激光器产生具有高峰值亮度的辐射，但是其重复频率受到驱动源的限制。已经提出了稳态微聚束（SSMB）机制来产生高重复，高功率辐射，其波长范围从太赫兹规模到极紫外。这是通过在稳定状态的转弯基础上使用微束使多粒子相干增强电子存储环中的辐射来实现的。揭示SSMB作为未来光子源潜力的关键步骤是在真实机器中演示其机理。

2021年2月24日，清华大学唐传祥及柏林Helmholtz-Zentrum的Jörg Feikes共同通讯在Nature 在线发表题为“Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching”的研究论文，该研究报告SSMB机制的实验演示。

该研究表明，存储在准同步环中的电子束可以产生亚微米的微束和相干辐射。该研究结果证明，在亚激光波长的精度下，电子的光学相位可以逐次关联。基于这种相位相关性，期望通过应用一个与电子依次相互作用的锁相激光器来实现SSMB。该演示是实现基于SSMB的高重复，高功率光子源的里程碑。

另外，Nature 发表题为“Accelerator-based light sources get a boost”的点评文章，系统盘点了该研究，同时指出该实验可以进一步扩展这些粒子加速器的功能，并有可能在下一代芯片蚀刻技术（称为极紫外光刻技术）中获得应用。

相干辐射是一种强大的辐射方案，因为它的强度与发射器的平方成正比，但是在非相干辐射中，其强度与发射器成正比。为了从电子束获得相干辐射，粒子需要成束或分束成小于辐射波长的纵向尺寸。对于感兴趣的短波长，这种束或子束的生产称为微束。微束聚束的巨大潜力已被自由电子激光器（FEL）所例示，它们产生具有高峰值亮度的短脉冲辐射。

但是，线性加速器驱动的FEL使用每个电子束一次，从而限制了重复率和辐射的平均功率。提出了SSMB来应对这一挑战。SSMB的主要概念是操纵存储环中的粒子动力学，以使电子束长度不在通常的厘米到毫米范围内，而应在约微米或更短的范围内。通过在转弯稳定状态下利用微束，SSMB有望以高功率，高重复率（兆赫兹至连续波）和窄线宽进行辐射，其波长范围从太赫兹规模到极紫外（EUV）。

这种新颖的光子源可以为加速器光子科学和技术应用提供独特的机会。例如，SSMB有望为EUV光刻技术产生大功率EUV辐射。能量可调的高通量窄带EUV光子在凝聚态物理中也非常需要。超高功率深紫外线和红外光源是原子和分子物理学中的潜在研究工具。而且，可以通过高峰值和平均功率太赫兹源来驱动和研究材料的新的非线性现象和动力学特性。除高功率外，SSMB还可以产生具有确定相位关系的超短（亚飞秒到亚秒）光子脉冲和脉冲序列，这可能在阿秒物理学研究中很有用。