上海高研院在仄秒伽马射线脉冲串产生新机制研究方面取得重要进展

超快光源是人类探索物质瞬态变化过程的重要工具。从飞秒激光揭示分子动力学，到阿秒光源捕捉电子运动，人类正不断突破时间分辨的极限。然而，当研究视野从电子尺度进一步深入到原子核内部时，现有超快光源面临着巨大的挑战：原子核尺度的瞬态过程(如核动力学演化、光核反应等)不仅需要极高能量的光子进行激发与探测，其发生的时间尺度更达到了仄秒(10-21秒)甚至更短。如何同时获取“高能量、高亮度、极短时间结构”的光源，是超快科学与核物理交叉领域亟待突破的核心前沿难题。目前，国际上尚无切实可行的技术手段能够产生仄秒时间尺度的伽马射线辐射脉冲。

针对这一重大挑战，中国科学院上海高等研究院自由电子激光团队提出了一种基于自由电子激光(FEL)微聚束驱动逆康普顿散射(ICS)产生仄秒伽马射线脉冲的新型物理机制，巧妙利用FEL辐射过程中自然形成的仄秒级电子微聚束结构来产生高能仄秒伽马射线脉冲。

基于FEL和ICS的仄秒伽马射线产生方案

该机制的核心思想在于将自由电子激光的增益过程作为一种“仄秒时间结构生成器”。在FEL运行过程中，电子束与辐射场发生强烈的集体相互作用，会在纵向上自发形成周期性的高密度电子分布结构——即“电子微聚束”。每一个微聚束都构成了一个极短的电子切片，其时间宽度远短于FEL的辐射波长。随后，研究团队引入一束外部激光与该微聚束电子束发生逆康普顿散射。在高能电子的情况下，逆康普顿散射产生的辐射脉冲长度取决于电子束的长度，电子束中预先形成的超高精度仄秒密度结构，被射到了散射伽马射线的时域分布中。这一设计巧妙地将电子微聚束作为连接电子动力学与光子时间结构的桥梁，实现了从“电子空间结构”到“高能光子时间结构”的高效转换，为突破亚阿秒(sub-attosecond)物理壁垒提供了一种全新的思路。

模拟验证仄秒伽马射线脉冲串的产生

研究团队通过严谨的理论分析和三维数值模拟验证了该方案的卓越性能。在典型的X射线自由电子激光参数下(4 GeV电子束驱动0.7 nm FEL辐射)，电子束被调制形成微聚束，随后与一束波长9 μm的红外激光对撞。模拟结果表明，在聚束因子约为0.6的条件下，该机制能够产生单脉冲宽度仅为850(±20)仄秒、相邻脉冲间隔精准锁定在2.33阿秒的伽马射线脉冲串。即使在保守的线性康普顿散射区，单个仄秒脉冲在特定立体角(θ<1/γ)内也能获得约3000个高能光子。此外，通过调节入射激光的波长和对撞角度，散射伽马光子的能量可以在数MeV至数百MeV之间灵活调谐。

这项工作充分利用了高增益自由电子激光成熟的电子束调控能力，巧妙地将微聚束动力学与逆康普顿散射物理过程相融合。这种具有超高频时间标签的“伽马射线时间梳”，不仅为超快核动力学、光核物理基础研究开辟了测量的新途径，其所具备的高频周期性扰动特性，更是有望满足诱导低Q值原子核衰变中量子反芝诺效应(Anti-Zeno Effect)的严苛条件。该成果为基于测量的基础量子演化调控提供了新的探测工具，标志着超快光源向核物理应用迈出了重要一步。

近日，相关研究成果以“Zeptosecond γ-Ray Pulses Generation via FEL-Driven Microbunching and Laser-Compton Scattering”为题，发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。论文第一作者为中国科学院上海应用物理研究所/中国科学院大学博士生熊金科，通讯作者为中国科学院上海高等研究院冯超研究员和许杭华副研究员。

该项研究得到了中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划《仄秒光的产生》(项目编号：YSBR-115)的资助。