響應(yīng)新時(shí)代的“強(qiáng)場”召喚
——記中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員吉亮亮

本刊記者 汲曉奇

專家簡介：

吉亮亮，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員、博士生導(dǎo)師。從事強(qiáng)場激光物理研究，發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，包括第一、通訊作者Phy.Rev.Lett.論文6篇，主持中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)課題、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目。國家“青年千人計(jì)劃”入選者，獲德國“洪堡學(xué)者”基金資助，先后獲中國科學(xué)院院長特別獎(jiǎng)，中國科學(xué)院盧嘉錫青年人才獎(jiǎng)等。

“強(qiáng)場激光物理的發(fā)展確實(shí)是受到了‘慣性約束聚變’研究的啟發(fā)”，吉亮亮談到自己的研究方向時(shí)說道。20世紀(jì)60年代，當(dāng)慣性約束聚變（ICF）在我國剛剛起步時(shí)，錢學(xué)森院士就形象地指出：“你們的事業(yè)是在地球上人造一個(gè)小太陽！”在這面旗幟的指引下，一代代科研人進(jìn)入了聚變的領(lǐng)域。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，光的強(qiáng)度突破了聚變所需求的高度，一個(gè)以相對論為特性的激光等離子體物理新區(qū)域悄然顯現(xiàn)，并在過去的20多年間迅速發(fā)展，成長為與ICF并肩而立的強(qiáng)場物理新領(lǐng)域。

在ICF研究的號召下，吉亮亮來到了中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，但隨即被強(qiáng)場中極其豐富而驚奇的物理特性所吸引，立下決心投身于此。“試想一下，將太陽照射到地球的全部輻射凝聚成一根頭發(fā)絲大小，所有的物質(zhì)將會(huì)被它瞬間電離，電子將瞬間達(dá)到相對論速度，這就是目前超強(qiáng)激光能夠產(chǎn)生的直觀效果。”在吉亮亮的介紹中，如此強(qiáng)烈激光創(chuàng)造的可能性超出人的想象。在紛繁復(fù)雜的激光等離子體物理叢林中，他的研究聚焦于兩個(gè)方面：其一，極端強(qiáng)場究竟能夠促進(jìn)哪些新的物理發(fā)現(xiàn)；其二，超短超強(qiáng)激光是否能夠?qū)崿F(xiàn)帶電粒子加速，將傳統(tǒng)加速器動(dòng)輒千米的加速距離，縮短到厘米尺度。新的物理并非可以簡單窺得，激光加速器更面臨著千重挑戰(zhàn)，一如人類在聚變之道上的艱難險(xiǎn)阻，但這就是吉亮亮選擇的研究之路。

見賢思齊科研路

見賢思齊焉。每當(dāng)翻開書本，看到一個(gè)個(gè)以偉人名諱命名的公式、定理在內(nèi)頁之間錯(cuò)落林立時(shí)，吉亮亮總會(huì)油然而生一種欽慕之情。“心向往之，總想著哪一天自己也可以小有成績，像他們一樣為人類發(fā)展出一份力。”正是這樣的初衷，驅(qū)使著他踏上了漫長的求學(xué)之路。

2002年，吉亮亮就讀于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系，初次邂逅等離子物理。經(jīng)過4年的時(shí)間，他接觸到了激光等離子體物理方向，便立刻被這個(gè)充滿機(jī)遇和挑戰(zhàn)的年輕學(xué)科吸引。2006年，吉亮亮以優(yōu)異的成績獲得研究生保送資格后，上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（簡稱上海光機(jī)所）成為他一番深思考量后的選擇。“上海光機(jī)所在激光等離子物理研究上獨(dú)步國內(nèi)，而我投到了沈百飛老師的門下。”

在導(dǎo)師的建議和指導(dǎo)下，吉亮亮從激光加速著手展開研究。超強(qiáng)激光可以在等離子體中激發(fā)極強(qiáng)的靜電場，其加速梯度比傳統(tǒng)加速器高4～5個(gè)量級，如果能夠?qū)崿F(xiàn)，便可以將千米級的加速距離縮短到厘米尺度。毫無疑問，這是一種令人激動(dòng)的新型加速原理，是突破現(xiàn)有加速技術(shù)的有力候選。“能夠趕上激光加速發(fā)展的契機(jī)，確實(shí)非常幸運(yùn)”，吉亮亮在而后的研究中如魚得水，他提出的加速方案有效解決了激光加速重離子的難題，同時(shí)發(fā)展了一系列基于相對論等離子體光學(xué)的極端光場產(chǎn)生方法，以第一作者身份在國際知名期刊《物理評論快報(bào)》上發(fā)表了4篇文章，得到該領(lǐng)域?qū)W者的廣泛認(rèn)可。這些成果使他獲得了包括了中國科學(xué)院院長特別獎(jiǎng)、中國科學(xué)院優(yōu)秀博士學(xué)位論文、Springer杰出論文獎(jiǎng)、朱李月華優(yōu)秀博士生獎(jiǎng)、大恒光學(xué)獎(jiǎng)學(xué)金特別獎(jiǎng)、蔡詩東等離子體物理獎(jiǎng)等多項(xiàng)學(xué)術(shù)榮譽(yù)。

短暫留所后，吉亮亮獲得德國“洪堡學(xué)者”基金資助，奔赴杜塞爾多夫大學(xué)理論物理研究所。他坦言，那里有一位享有國際盛譽(yù)、在粒子模擬領(lǐng)域具有開拓性貢獻(xiàn)的學(xué)者，因此他的德國之行是慕學(xué)者之名，期望見高山而有所得。兩年之后，洪堡之期至，回國發(fā)展本當(dāng)順?biāo)桑R近離開時(shí)吉亮亮卻因一項(xiàng)合作，受到俄亥俄州立大學(xué)高能量密度物理實(shí)驗(yàn)室的邀請。“見高山亦得見四方”，機(jī)遇使然，促成了一位科研人向更遠(yuǎn)的路途出發(fā)。

研究歷程中，吉亮亮在強(qiáng)場激光物理領(lǐng)域逐漸形成了自己的觀點(diǎn)。“超強(qiáng)飛秒激光可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)創(chuàng)造前所未有的極端物理?xiàng)l件，這是一個(gè)連接基礎(chǔ)物理與應(yīng)用物理的橋梁，向上可以對物質(zhì)、真空的強(qiáng)場量子電動(dòng)力學(xué)（QED）效應(yīng)進(jìn)行探索，向下則能開拓激光粒子加速的應(yīng)用”。為了占領(lǐng)這一前沿陣地，全世界范圍內(nèi)興起了10～100拍瓦級激光實(shí)驗(yàn)裝置建設(shè)與規(guī)劃，如歐盟的ELI，俄羅斯的iZest,法國的Appolon，美國的Rochester等項(xiàng)目。彼時(shí)，與之相應(yīng)的卻是理論認(rèn)識上的相對匱乏，人們亟需了解，在更強(qiáng)的激光條件下，究竟有哪些新的物理、可以孕育哪些新的應(yīng)用。

作報(bào)告

為了回答這些問題，他超前探索了比目前拍瓦激光產(chǎn)生的強(qiáng)度高100倍的峰值強(qiáng)度下光與物質(zhì)的相互作用，發(fā)現(xiàn)了在新的強(qiáng)場QED區(qū)域，能量吸收通道、伽馬輻射與正負(fù)電子對產(chǎn)生等重要特征，給出了這些新效應(yīng)開始顯現(xiàn)的關(guān)鍵閾值。這些結(jié)果的產(chǎn)生恰逢其時(shí)，為規(guī)劃、建造下一代超短超強(qiáng)激光裝置提供了很好的參考。

在此基礎(chǔ)上，他開拓性地研究了10～100拍瓦超強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的輻射反作用力效應(yīng)，首次在模擬中發(fā)現(xiàn)了輻射反作用力引起的電子反常捕獲機(jī)制，第一次明確地揭示了強(qiáng)場QED效應(yīng)在激光等離子體中的直觀顯現(xiàn)。由于該發(fā)現(xiàn)的新穎性與重要性，該工作入選了知名期刊Physical Review Letters的“編輯精選(Editors’suggestion)”欄目。近年來，隨著超強(qiáng)激光項(xiàng)目的逐漸推進(jìn)，他的發(fā)現(xiàn)得到了國內(nèi)外同行的大量跟進(jìn)研究。

在基礎(chǔ)前沿陣地馳騁的同時(shí)，吉亮亮注意到強(qiáng)場激光物理在應(yīng)用開拓上的困境。“目前，激光驅(qū)動(dòng)固體靶研究正遭受較大挑戰(zhàn)，質(zhì)子能量至今難以突破100兆電子伏特，這不但影響激光加速的應(yīng)用前景，也非常不利于整個(gè)學(xué)科的社會(huì)預(yù)期。”為此，他以新穎靶材為突破點(diǎn)，首次提出將3D打印的微納結(jié)構(gòu)引入強(qiáng)場激光物理的概念，對激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的高能粒子、射線源進(jìn)行增強(qiáng)、調(diào)控,并且成功實(shí)現(xiàn)在微米絲陣列靶、微米通道陣列靶上的高能電子加速。吉亮亮常說，既然選擇

了科學(xué)研究，就應(yīng)該清楚地知道自己追求的是什么，不要因?yàn)樯鐣?huì)環(huán)境壓力使初心有所改變。科研上的發(fā)現(xiàn)，是前行的源動(dòng)力，也是人生最大的犒賞。

游歷有方 歸心不待

在第58屆等離子體物理年會(huì)上，美國物理學(xué)會(huì)（APS）邀請了世界各國的科研工作者與會(huì)交流探討。該年會(huì)被譽(yù)為等離子體物理領(lǐng)域內(nèi)最大、最具權(quán)威的國際學(xué)術(shù)會(huì)議。在此次年會(huì)受邀行列之中，強(qiáng)場激光物理學(xué)科的中國學(xué)者僅有兩位，作為其中之一，吉亮亮在大會(huì)上就激光驅(qū)動(dòng)微納結(jié)構(gòu)等研究展開成果報(bào)告，提出諸多創(chuàng)新性設(shè)想，獲得同行的普遍關(guān)注。

當(dāng)2016年國家“青年千人計(jì)劃”被提上日程，當(dāng)各大高校、科研院所向大洋彼岸的海外學(xué)者拋出橄欖枝時(shí)，吉亮亮感覺時(shí)候到了，他毫不猶豫地收拾行裝，回到故土。“科研工作者是有祖國的，不論身在何處，我從未停止對國內(nèi)動(dòng)態(tài)的關(guān)注，為的是有朝一日回來能夠盡快融入。”吉亮亮坦言，國內(nèi)科研確實(shí)存在一定不足，但這也意味著巨大的進(jìn)步空間。“祖國的綜合國力、經(jīng)濟(jì)水平的提升，也帶動(dòng)了科學(xué)研究的發(fā)展。無論是經(jīng)費(fèi)投入、科研效率，還是媒體上追跑、并跑、領(lǐng)跑的宣傳，這種天翻地覆的變化是每個(gè)人看在眼里的。”國家實(shí)施的“青年千人”計(jì)劃，正是個(gè)人的科學(xué)追求與時(shí)代發(fā)展趨勢結(jié)合的重要平臺。國家的研究資源迅速增長是科研工作者所樂見的，當(dāng)然，吉亮亮也認(rèn)為，作為其中一員，應(yīng)該冷靜思考，以科學(xué)規(guī)律指引研究資源的分配和使用。

重新踏入上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，吉亮亮已經(jīng)做好準(zhǔn)備，用他自己的話說：這既是一種學(xué)術(shù)的傳承，更是一段新行程的開端。沒有隆重的就職儀式，入職之時(shí)，迎來的是項(xiàng)目開展的緊鑼密鼓。在國家“青年千人計(jì)劃”的支撐下，吉亮亮提出多個(gè)建設(shè)性構(gòu)想。“上海的10拍瓦超強(qiáng)激光裝置近期即將完工，參數(shù)指標(biāo)無疑將處于國際領(lǐng)先的地位。回到上海光機(jī)所，我認(rèn)為也正是實(shí)現(xiàn)自己設(shè)想的好時(shí)機(jī)。”

在人類的科技發(fā)展長河中，事業(yè)必須有傳承，人才更是如此。“一味地追求短平快的論文發(fā)表，而忽視了研究生自身能力和素質(zhì)的培養(yǎng)，這種浮躁萬萬不可取。我希望能盡自己最大的努力，讓所帶研究生能夠雕琢自身技能，潛心做學(xué)問，做具有原創(chuàng)性的工作而不隨波逐流，成為具有國際競爭力的人才。”

顧往而行 歷久彌新

回顧過往，德國之行，高山之上，吉亮亮見識到了大膽猜想的妙處。“合作導(dǎo)師長于理論與模擬，是一個(gè)少言的人，但他的每一句話都能切中要點(diǎn)，敏銳地指出問題關(guān)鍵。最妙的是，他從來不囿于當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室所能提供的物理?xiàng)l件，常常鼓勵(lì)人‘異想天開’，不必考慮研究結(jié)果是否可用于當(dāng)下，因此課題組的工作往往大幅超前于現(xiàn)實(shí)。”美國的科研文化則有所不同，吉亮亮談到他在美國俄亥俄州立大學(xué)的經(jīng)歷，“不論是德高望重的老教授，還是初出茅廬的本科生，均可以直呼其名自由討論，真正體會(huì)到科學(xué)面前人人平等的學(xué)術(shù)氛圍”。此外，美國課題組更多采取的是實(shí)用主義的態(tài)度，始終以實(shí)驗(yàn)為主，理論模擬為輔。兩種不同的研究策略不可避免在吉亮亮的腦中碰撞、沖突。幸運(yùn)的是，兩者最終達(dá)成了統(tǒng)一，使他對整個(gè)學(xué)科領(lǐng)域形成了自己的看法，也對未來的方向有了更深的理解，即強(qiáng)場激光物理是架在基礎(chǔ)前沿與應(yīng)用開拓之間的橋梁，沒有現(xiàn)在的前沿探索，就不會(huì)有將來的應(yīng)用開拓；反過來，應(yīng)用的發(fā)展也一定是前沿研究最大的推動(dòng)力。

與學(xué)生合影

但若論所受影響最為深刻，吉亮亮認(rèn)為還是應(yīng)當(dāng)屬博士導(dǎo)師沈百飛的“啟蒙性”教導(dǎo)。“最開始做粒子加速時(shí)，我意外地發(fā)現(xiàn)許多與粒子加速無關(guān)的新奇現(xiàn)象，便去尋求沈老師的意見，看是否可以進(jìn)一步研究下去。”他清楚地記得沈老師那番話，“做科學(xué)研究，項(xiàng)目是其次，也并不需要拘泥于一個(gè)方向，重要的還是在過程中發(fā)現(xiàn)有趣的物理。”這些話對于初出茅廬的吉亮亮而言格外受用，成為鼓勵(lì)他向著多方向開拓的理念動(dòng)力。

立足當(dāng)下，步步為營。“目前，基于極端強(qiáng)場新物理的研究已經(jīng)開展，而實(shí)驗(yàn)小組則正在加緊新型的微納結(jié)構(gòu)靶研制，為激光打靶做準(zhǔn)備，這兩方面的工作都得到了中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)的大力支持。”與此同時(shí)，作為物理實(shí)驗(yàn)主要設(shè)計(jì)人之一，吉亮亮參與推動(dòng)“上海硬X射線自由電子激光裝置—極端光物理線站”項(xiàng)目。項(xiàng)目在上海光機(jī)所研究員李儒新的帶領(lǐng)下，擬于2024年建設(shè)100拍瓦的超強(qiáng)激光裝置，對進(jìn)一步探索真空的強(qiáng)場QED特性等研究具有重大意義。

研究工作有了長遠(yuǎn)的規(guī)劃，但吉亮亮并不急于給自身背負(fù)太多任務(wù)。“科研工作一戒驕躁，二戒壓力。長期處于高壓和疲憊的狀態(tài)，不但科研效率沒法保證，人的思維能力和判斷也會(huì)受到影響，容易做出錯(cuò)誤的決定。”不徐不緩，不驕不躁，吉亮亮在穩(wěn)健的前行中一步步完成著自己的理想。