快电子在材料中的能量损失是惯性约束核聚变、高能密度物理、先进材料科学等前沿领域的核心基础物理过程。根据经典的碰撞阻滞理论（如Bohr-Fermi-Bethe-Bloch理论），材料越致密，其对高速粒子的阻挡和减速能力也越强。这就好比朝不同密度的障碍物射击，实心钢板显然比充满孔洞的轻质海绵更能阻挡子弹。因此，电子束在物质中的阻滞过程，通常被认为主要由材料的平均密度决定。

然而，近日深圳技术大学联合中物院激光聚变研究中心、南华大学等团队研究发现：对于具有极高能量密度的兆安培级相对论强流电子束而言，这一经典图像在复杂多孔介质中发生了反常的逆转。该团队首次在实验上观测到，平均密度极低、内部主要由真空孔隙构成的无序多孔泡沫介质，反而比更致密的材料表现出更强的电子束偏转与阻滞能力。

相关成果于5月9日以“Experimental Observation of Anomalous Stopping of Mega-Ampere Electron Current in Porous Materials”为题发表于国际物理学顶级期刊《Physical Review Letters》，并被选为“物理亮点”（Featured in Physics）和“编辑推荐”（Editors’ Suggestion）。同期以“Void-Filled Material Stops Intense Electron Beam”为题在APS Physics上被专题报道。

深圳技术大学助理教授蒋轲与中物院激光聚变研究中心邓志刚副研究员为论文共同第一作者，深圳技术大学黄太武教授和中国工程物理研究院周维民研究员为论文共同通讯作者。论文的主要作者包括深圳技术大学周沧涛教授、卓红斌教授、吴思忠教授、张华教授，中物院激光聚变研究中心谷渝秋研究员，南华大学罗文教授、罗凯军博士等。

图1 |实验排布图与高密度泡沫靶、低平均密度泡沫靶和间隔靶结构示意图。激光辐照铜箔产生高流强相对论电子束，后者穿过不同平均密度的C₉H₁₆O₈泡沫，并在CH薄膜与真空界面处发射渡越辐射。通过三个电子磁谱仪和成像板对电子进行诊断。长距离高分辨率成像系统用于捕捉渡越辐射信号。针孔相机记录近高斯分布的激光焦斑。

本项实验依托中物院激光聚变研究中心的星光-III高功率激光装置开展。研究团队利用该平台的高强度皮秒激光，驱动产生了具有极高能量密度的兆安培级相对论强流电子束。实验结果显示，当这股强流电子束进入超低平均密度的无序多孔泡沫后，其前向传播被显著削弱，电子束发生了强烈的散射、偏转和阻滞。实验结果表明，透过低密度泡沫后的高能电子数量与能量大幅下降，同时电子穿越靶背的光学渡越辐射信号显著减弱，呈现出与传统理论完全相反的趋势。这意味着，看似更空的泡沫介质，反而比更实的致密介质更能有效抑制高能电子束的穿透传输，表现为明显背离传统碰撞阻滞理论预期的“反常阻滞”（Anomalous stopping）现象。

图2 |证实电子反常阻滞输运的实验结果 。(a)-(c) EMS#1-3分别从高密度泡沫靶（蓝色）、低平均密度泡沫靶（红色）和间隔靶（绿色）的前方、后方及侧面测量得到的电子能谱。(d)-(f)三种靶后表面时间累计的倍频渡越辐射信号。其中图(e)的信号幅值放大了十倍。(g)-(i)成像板第五层（最后一层）探测到的电子典型空间分布，该层探测的电子能量大于6.7 MeV。

为什么空心的泡沫反而比实心的材料更能阻挡高能电子？研究团队进一步结合孔隙分辨的大规模二维粒子模拟与理论分析，揭示了其背后的微观新机制。多孔泡沫并不是简单意义上的稀疏连续体，而是由纳米到微米尺度的固体骨架和大量真空孔隙共同组成。研究表明，当高流强电子束穿过多孔泡沫时，会在泡沫的固体骨架中驱动产生局域的回流电流。由于束流主要分布在孔隙区域，而回流电流则受限于骨架通道，二者的空间分布上呈现显著分离，由此在微米尺度的真空孔隙网络中激发出高达数万特斯拉量级的局域超强磁场。当束电子在该磁场中的回旋半径小于孔隙尺寸时，这些强磁场就像一张无形而复杂的“磁场迷宫”，会对电子束产生剧烈的随机偏转和俘获，导致电子束前向传输的功率密度急剧衰减，其能量损失相较传统碰撞理论预测高出几个数量级。

这种阻滞并不是传统意义上由二体碰撞主导的能量损失，而是一种由材料微观结构诱发的集体输运效应。这一发现表明，在强流电子束条件下，决定电子束传输行为和能量沉积规律的关键因素，不再只是材料有多致密，更在于材料内部架构如何组织。研究团队将这一新发现概括为一种由微结构驱动的集体阻滞新机制。这一发现突破了平均密度决定阻滞强弱的传统认识，揭示了复杂微结构的关键作用。该机制为主动调控高能电子束的传输和能量沉积开辟了新途径，有望在惯性约束聚变、实验室天体物理以及新型辐射源设计等方向发挥重要作用。

该成果也是深圳技术大学高能量密度物理团队围绕强流粒子束在复杂介质中输运规律持续深耕取得的又一项标志性突破。此前，团队已在Physical Review Letters上先后报道了相对论强流电子束在多孔材料中的“分支流”（Branched flows）输运现象，并进一步发现了类似穿针引线般的“超通道”（Superchanneling）定向传输行为。本次“反常阻滞”效应的发现进一步表明，多孔微观介质不仅能够改变电子束的传输形态，更能够从根本上改写其阻滞与能量转换规律。

本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市优秀青年基金、深圳技术大学高层次人才科研启动项目、深圳市重点实验室项目等支持。相关实验研究是在中物院激光聚变研究中心星光-III高功率激光装置开展，相关数值模拟工作依托深圳技术大学千万亿次/秒超算仿真模拟平台上完成。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/yq7c-8bsv

Physics链接：https://physics.aps.org/articles/v19/69

稿件来源：工程物理学院