科學家是如何從最基本的層面探索自然的？

他們會建造能辨識原子和亞原子的細節的“超級顯微鏡”。不過這在可見光下可是行不通的。若想探測最小尺度的物質，他們可以對電子束加以利用，要么將它們直接用于粒子對撞機，要么在X射線激光器中將它們的能量轉換成明亮的X射線。而在這些能作出科學發現的機器中占據C位的，是粒子加速器。首先，粒子加速器會產生電子，然后在一系列的加速器腔中提高電子的能量。

現在，一個國際研究團隊發現，一種更明亮的、基于等離子體的電子源，可被用于更緊湊、更強大的粒子加速器中。

在這種方法中，電子束的電子會從等離子體內的中性原子中釋放出來。這種方法被稱為特洛伊木馬技術，因為這讓人想起古希臘人入侵特洛伊城的方式，他們把雄健的士兵（電子）藏在木馬（等離子體）中，然后被拉進了城市（加速器）。

○ 一束激光（左邊紅色）將電子（藍點）從氦原子上剝離。一些自由電子（紅點）在由電子束（綠色）產生的等離子體泡（白色橢圓形）內加速。| 圖片來源：Thomas Heinemann/University of Strathclyde

斯特拉斯克萊德大學的Bernhard Hidding是這項研究的首席研究員，他說：“我們的實驗第一次表明特洛伊木馬方法確實能奏效。這是最有前途的一種未來電子源方法，它或許能突破當今技術的邊界。”

這一研究發表在了《自然-物理》期刊上。

1. 用等離子體代替金屬

在目前最先進的加速器中，電子是通過將激光照射到金屬的光電陰極上產生的，金屬光電陰極會將電子從金屬中踢出。電子在金屬腔內加速，在那里，它們會從一個射頻場中吸收越來越多的能量，形成高能的電子束。在X射線激光器中，比如SLAC國家加速實驗室中的LCLS，電子束能驅動產生極其明亮的X射線。

但是在一定的距離內，金屬腔只能為電子提供有限的能量增益，或者說加速梯度。因此若想要有更大的能量增益，加速器還需要變得更大才行，這樣一來，建造加速器所需的占地面積和成本都會變得非常大。近年來，科學家一直在尋找能使加速器變得更緊湊的方法。例如他們證實了可以用等離子體代替金屬腔，以此來獲得更高的加速梯度，這或許能將未來加速器的長度縮短100到1000倍。

新的論文將等離子體的概念擴展成為加速器的電子源。SLAC的Mark Hogan是論文的一名合著者，他說：“我們之前已經證明等離子體加速可以非常強大且高效，但是我們還沒能為未來的應用制造出足夠高質量的電子束。改善電子束的質量是未來幾年的首要任務，而開發新型的電子源就是其中的一個重要部分。”

根據他們先前的計算，特洛伊木馬技術可以使電子束的亮度比現如今最強大的電子束高100到10000倍。更亮的電子束也能使未來的X射線激光器更加明亮，從而更進一步地增強它們的科學能力。

特洛伊木馬項目在加州大學洛杉磯分校的首席研究員James Rosenzweig表示，如果能夠將等離子體中的高加速梯度和等離子體中的束流產生結合在一起，那么就可以在幾米而不是幾公里的距離內制造出能釋放同等能量的X射線激光器。

2.制造高級的電子束

研究人員在SLAC的FACET設備上進行了他們的實驗。目前FACET正在進行重大升級，它能產生可用于下一代加速器技術研究（如等離子體加速）的高能電子脈沖。

首先，研究小組將激光照射到氫氣和氦氣的混合物中。所使用的的激光恰好有足夠的能量能從氫中剝離電子，把中性氫變成等離子體。但它的能量不足以將氦也變成離子，氦的電子比氫的電子束縛得更緊密，所以在等離子體中會仍然維持中性。

然后，研究人員將FACET的一個電子束發送到等離子體中，在那里產生等離子體尾流，就像摩托艇在水中滑行時會產生尾流一樣。拖尾的電子可以在尾流中“沖浪”，獲得巨大的能量。

在這項研究中，拖尾電子來自等離子體內部（如下圖所示）。就在電子束以及它的尾流經過時，研究人員用第二束緊密聚焦的激光照向等離子體中的氦。這一次的激光脈沖有了足夠的能量，可以把電子從氦原子中剝離出來，然后電子在尾流中加速。

○ 這個動圖呈現了特洛伊木馬方法的概念。SLAC的FACET設備中的一束電子群（右邊的白色亮斑）穿過氫等離子體（紫色），形成了一個等離子體泡（藍色）。當氣泡以接近光速通過等離子體時，一束激光脈沖將等離子體中的中性氦原子上的電子（白點）剝離了出來，這些被釋放出的電子就被困在氣泡的尾部，在那里獲得能量（左邊的白色亮點）。| 圖片來源：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

電子束以接近光速通過等離子體，它們和激光閃光之間的同步僅會持續千分之幾秒，這是特別重要且具有挑戰性的。加州大學洛杉磯分校的Aihua Deng是論文的主要作者之一，他說：“如果閃光來得太早，它所產生的電子就會干擾的等離子體尾流的形成。如果來得太晚，等離子體尾流就會移動，導致電子無法加速。”

研究人員預計，現在能用特洛伊木馬方法所獲得的電子束亮度，已經可以與現有的最先進的電子源的亮度相媲美了。

來自德國漢堡大學的另一位主要作者Oliver Karger說：“我們的技術之所以具有革命性在于制造電子的方式。”當電子被從氦中被剝離出來時，它們會在正向快速加速，這使得光束被緊緊地束在一起，這是要獲得更明亮光束的先決條件。

○ 在SLAC實現的利用特洛伊木馬技術，