深圳技术大学在《物理评论快报》发文揭示相对论电子束在无序多孔介质中的超通道输运和辐射新物理现象

 传输现象作为自然界中最基础的物理过程之一，其本质是能量载体与介质的动态相互作用。当光或粒子束穿过介质时，其路径往往取决于介质的组织方式。在均匀且规则的介质中，行为通常是可预测的：例如，激光在均匀介质中沿直线传播；高能带电粒子沿晶体的晶轴或晶面入射时，被晶格形成的连续势场引导，在原子间空隙中传播，这被称为通道现象（或沟道现象，Channeling）。  

然而，当介质结构变得不均匀或无序时，传播过程将呈现更为复杂的形态。例如对于激光而言，在无序介质中不再仅发生简单散射，而是会自发形成类似树枝状的分散细丝，这种现象被称为分支流（Branched flows）（图1）。在2023年，深圳技术大学研究团队首次揭示了相对论强流电子束在多孔泡沫中的分支流新物理现象及规律（Phys. Rev. Lett. 130, 185001 (2023)），为相对论电子束在无序多孔结构中的输运研究揭开了序章。

图1: (a) 激光在均匀的石英玻璃中传播[1]。(b) 电子和质子在规则晶格中的通道现象[2]。(c) 激光在不均匀肥皂泡中的分支流[3]。(d) 电子束在无序泡沫结构中的分支流[4]。

[1]刘伟伟,薛嘉云,苏强,等.超快激光成丝现象研究综述[J].中国激光,2020,47(05):56-79.

[2] Korol A, Solov’yov A V. Channeling Phenomenon and Channeling Radiation[M]//Novel Lights Sources Beyond Free Electron Lasers. Cham: Springer International Publishing, 2022: 57-103.

[3] Patsyk A, Sivan U, Segev M, et al. Observation of branched flow of light[J]. Nature, 2020, 583(7814): 60-65.

[4] Jiang K, Huang T W, Li R, et al. Branching of high-current relativistic electron beam in porous materials[J]. Physical Review Letters, 2023, 130(18): 185001.

近日，该团队在这一领域又取得了重要的新发现：在特定条件下，原本在无序多孔结构中应被散射的电子束，不仅未发生预期的分散，反而自发地汇聚成一根极其细密且稳定的“电子细丝”，像穿针引线般在无序的孔隙中高速穿行。研究团队把这一突破常规认知的奇特物理现象命名为“超通道”现象（Superchanneling）。

相关成果以“Superchanneling and radiation of ultrarelativistic electron beams in disordered porous material”为题于2月4日在国际物理学顶级期刊《Physical Review Letters》上发表。团队博士生陈鹏和助理教授蒋轲为论文共同第一作者，黄太武教授为第一通讯作者，周沧涛教授为论文共同通讯作者。所有作者均为深圳技术大学的学生和教学科研人员。

图2: 相对论电子束（红蓝色）在无序多孔泡沫（灰色）中超通道现象。(a)初始时刻电子束，(b)局部泡沫结构和聚焦后的电子束，(c)在泡沫中稳定传输了1 mm之后的电子束。

研究团队发现，当相对论强流电子束进入多孔泡沫介质时，会与泡沫里的固体骨架相互作用，在固体骨架表面形成局域的超高密度“回流电流”。这些回电流在孔隙空间中会激发出高达十万特斯拉量级的巨大磁场，其强度远超常规实验室所能产生的磁场。这些磁场在无序结构中虽然是随机分布的，但是当电子束尺寸与泡沫孔隙尺寸相当，且电子束密度和电子束能量的比值满足一定条件时，这些磁场如同在无序介质中修筑了一条“无形的超高速公路”，将电子束牢牢聚焦约束在其传输路径上，从而形成“超通道”现象。

这种超通道传输机制不仅实现了电子束的极限聚焦，而且电子束能稳定传输数百微米甚至毫米距离而保持不散。更令人振奋的是，被强磁场约束的电子束在通道内进行剧烈的横向振荡，从而释放出极高亮度的高能伽马射线。通过三维粒子模拟和理论建模验证，这种新型伽马辐射源具有极高的峰值亮度（~10²⁷ photons s^-1 mm^-2 mrad^-2（每0.1%带宽））和极高的能量转换效率（大于40%），且不依赖于精密加工的特定结构。该机制对实验条件具有极强的鲁棒性，在伽马射线源产生方面具有巨大的应用潜力。

值得一提的是，该成果也是深圳技术大学高能量密度物理团队在前期一系列研究工作（PRL 127, 245002 (2021)、PRL 130, 185001 (2023)、PRL 131, 145003 (2023)）基础上，围绕强流电子束输运和辐射研究取得的又一项重要突破。在此基础上，本团队将进一步深化研究，系统探索强流电子束在多孔介质中的新奇输运和高效能量转换过程，并拓展其在超高亮度伽马辐射、超高通量中低能离子及中子产生等领域的应用潜力，为新型高能辐射源的开发提供理论支撑与技术路径。

本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市优秀青年基金项目以及深圳技术大学高精尖缺人才科研启动项目的资助与支持。相关模拟工作在深圳技术大学超强激光应用技术研究中心的千万亿次/秒超算仿真模拟平台上完成。