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科技日報記者 張佳欣

據美國科學促進會10日消息，美國能源部布魯克海文國家實驗室的科學家設計并測試了世界上電壓最高的極化電子槍，這是建造世界上第一臺全極化電子—離子對撞機（EIC）所需的關鍵部件。

EIC是一個尖端核物理設施，目前正在建造中。直流激光驅動極化電子槍是EIC的主要部件，其目標是成為EIC中一束碰撞粒子的“發令槍”，在約38.6公里周長的環形對撞機內產生并發射電子。理論上這應該會粉碎原子核中的質子和中子，并揭示它們存在的機制。

該設備的首席架構師、布魯克海文實驗室物理學家王爾東表示，他們可將電子的速度加速至光速的80%。這意味著在大約二十億分之一秒內，電子的速度可從零加速到高達每小時8億多公里（約光速的80%），而這一過程僅在電子槍內部約5厘米的空間內完成。

然而，加速電子只是該電子槍的任務之一。另一個任務是創建緊密排列的粒子群并控制它們的自旋。為實現這一點，研究團隊使用砷化鎵晶體的超薄納米片制造了光陰極。用激光照射這個陰極，能夠釋放出電子，并可控制它們是向前還是向后自旋。

一旦電子被激光從晶體中釋放出來，電子槍的任務就是讓它們快速移動。團隊在陰極對面建造了一個陽極，并施加了極高的電壓，成功實現了這一點。電子能量在大約5厘米的間隙中從零增加到了32萬電子伏特。

此外，研究團隊還找到了使用激光的最佳方法。他們發現，激光的短脈沖能夠產生包含高“束電荷”的電子群，這意味著每束電子包含約700億個電子。這些束使粒子在加速器中與從另一個方向飛來的原子核發生碰撞的幾率最高。

總編輯圈點

EIC能加速極化電子，并使其與極化質子及離子發生碰撞，讓科學家能深入研究可見物質的最基本構成單元。現在，其關鍵部件——電子槍，不僅超出了EIC的要求，而且取得相當耀眼的成果。這是世界上電壓最高、強度最強的極化電子槍，而團隊目前仍在研究能夠進一步加速對撞機內部電子的組件，使其更接近光速的水平。