圖1. 不同磁場寬度下正負電子對的產(chǎn)生數(shù)隨時間的變化關系。其中W_B=1.25/c約為電子在磁場中的回旋半徑：磁場寬度小于回旋半徑時，粒子數(shù)持續(xù)產(chǎn)生，系統(tǒng)為超臨界；磁場寬度大于回旋半徑時，系統(tǒng)變?yōu)榇闻R界。

圖2. 根據(jù)總哈密頓量得到的能級分布隨磁場寬度WB變化關系。寬度小于回旋半徑時，正負能態(tài)交疊，能夠持續(xù)產(chǎn)生電子對；寬度大于回旋半徑時，正負能態(tài)分離并出現(xiàn)離散的朗道能級。

量子場論被認為是描述最本質(zhì)物理規(guī)律的學科之一。利用最基本的關系式狄拉克方程所提出的多種預測已經(jīng)被證實，并得到具有重大意義的結果。到目前為止，關于最具挑戰(zhàn)性且有重大價值的一項預測的真實性驗證還仍然在探索中：光是否能夠直接轉(zhuǎn)化成物質(zhì)，即強場下真空中是否能夠激發(fā)出正負粒子對。1951年諾貝爾獎得主Julian Schwinger給出了電子對在均勻穩(wěn)恒電場中產(chǎn)生率的表達式，這項先驅(qū)性的工作引起了人們對這項對物理基礎學科發(fā)展和應用極富挑戰(zhàn)性的重大科學課題的注意，并激發(fā)人們開始投入大量精力來挑戰(zhàn)這個未解的難題。

超快超強激光技術的快速發(fā)展正在為開展這項研究提供前所未有的實驗條件，使其逐漸成為物理學的一個新的前沿熱點。迄今為止，人們在實驗上已經(jīng)得到一些有意義的結果，重離子對撞實驗以及美國斯坦福線型加速器上進行的46.6GeV電子束和強激光碰撞實驗，已經(jīng)證實了正負電子對的產(chǎn)生。但是到目前為止，由強光場直接引起的真空擊穿和相應的正負電子對產(chǎn)生過程的實驗還未能實現(xiàn)，主要原因是目前激光系統(tǒng)的最大強度雖然已經(jīng)高達2×1022W/cm2，但仍不足以直接“擊穿“真空。為了獲得更高功率的激光系統(tǒng)，跨國研究中心也正在建設中。我們能夠預期，在不久的將來，激光就可接近甚至達到“擊穿”真空并自發(fā)產(chǎn)生正負電子對的強度，在避免其它效應的情況下對超臨界場產(chǎn)生正負粒子對的過程進行直接檢驗。如果能夠?qū)崿F(xiàn)，將是人類首次證實光可以直接轉(zhuǎn)化成為物質(zhì)，即愛因斯坦的能質(zhì)公式E=mc2, 這對于物理學的發(fā)展和所帶來影響是不可估量的。

對于這一重要問題，理論和數(shù)值方面已經(jīng)得到了非常有意義的結果，但大部分工作都只考慮了電場而并沒有考慮磁場效應。最近，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）光物理實驗室強激光高能量密度物理組與美國伊利諾斯州立大學、中國礦業(yè)大學和上海交通大學的合作者一起，首次研究了磁場效應對局域超臨界電場下正負電子對產(chǎn)生過程的影響。

通過運用基于量子場論的非微擾的精確數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在超臨界的電場中即使考慮強度非常小的磁場，只要其空間寬度足夠?qū)挘匀豢梢躁P閉正負電子對產(chǎn)生通道，使系統(tǒng)變?yōu)榇闻R界，并且伴隨產(chǎn)生粒子數(shù)在時間上的震蕩效應(見圖1)。一直被公認的Schwinger公式和Hund公式都無法對這種效應做出描述。通過計算系統(tǒng)總哈密頓量的能量本征值得出，磁場變寬的同時正負能態(tài)的上下限隨之相互遠移，當磁場寬度達到粒子在磁場中的回旋半徑的時候系統(tǒng)就變?yōu)榇闻R界(見圖2)，并且出現(xiàn)離散的朗道能級引發(fā)粒子數(shù)在時間上的震蕩效應。

上述研究結果發(fā)表在近期的物理評論快報[Phys. Rev. Lett. 109, 253202 (2012)]上。

該工作得到了國家基金委、科技部、中國科學院和美國國家基金委的資助。（來源：中科院物理研究所）