光子于真空中碰撞：量子模拟实现凭空造光

• 研究成果已发表在《通讯-物理学》期刊上。

通过先进的计算建模，由牛津大学领导、与里斯本大学高等理工学院合作的研究团队，首次实现了对强激光束如何改变“量子真空”的实时三维模拟。量子真空曾被认为空无一物，但量子物理学预测其充满了虚电子-正电子对。

令人振奋的是，这些模拟重现了量子物理学预言的一种奇异现象，称为真空四波混频。该现象指出，三束聚焦激光脉冲的复合电磁场可使真空中的虚电子-正电子对极化，导致光子像台球般相互碰撞——在“从黑暗中产生光”的过程中生成第四束激光。这些事件可作为极高强度下新物理的探针。

"这不仅是学术上的奇观——更是向实验证实量子效应迈出的重大一步，这些效应至今大多停留在理论层面，"牛津大学物理系研究合著者彼得·诺里斯教授表示。

此项研究恰逢新一代超强激光器即将投入使用。英国的"Vulcan 20-20"、欧洲的"极端光基础设施(ELI)"项目、中国的"极端光科学站(SEL)"和"SHINE"装置等设施，将提供足以在实验室首次证实光子-光子散射的功率水平。光子-光子散射已被选为美国罗切斯特大学OPAL双束25拍瓦激光装置的三个旗舰实验之一。

模拟采用升级版OSIRIS软件包进行，该软件可建模激光束与物质或等离子体的相互作用。

牛津大学物理系博士生、第一作者张子欣（Lily）表示："我们的计算机程序提供了时间分辨的3D窗口，揭示了此前无法触及的量子真空相互作用。通过将模型应用于三束激光散射实验，我们捕获了完整的量子特征谱，并获得了相互作用区域和关键时间尺度的详细洞察。经全面基准测试后，我们现在可转向更复杂的前沿场景——包括奇异激光束结构和飞行聚焦脉冲。"

关键在于，这些模型提供了实验人员设计精确现实测试所需的细节，包括真实激光形状和脉冲时序。模拟还揭示了新发现：如这些相互作用如何实时演化，以及光束几何结构的微妙不对称性如何改变结果。

据团队称，该工具不仅有助于规划未来高能激光实验，还可能协助搜寻轴子、毫电荷粒子等假想粒子的迹象——这些粒子是暗物质的候选者。

合著者路易斯·席尔瓦教授（里斯本大学高等理工学院教授、牛津大学物理系客座教授）补充道："我们在OSIRIS中实现的新型计算方法，将为先进激光设施的一系列规划实验提供强大支持。超强激光器、尖端探测技术、前沿分析与数值建模的结合，奠定了激光-物质相互作用新时代的基础，这将为基础物理学开辟新视野。"