1905年Albert Einstein 提出了著名的质能公式(E=mc²)，指出了能量和物质的等价性。在过去的一个多世纪中，人们一直在寻找能量和物质之间的相互转化方法。通过核裂变和聚变，人们已经实现了由物质到能量的转化，并为人类带来了可观的能源。而另一方面，如何将能量转化为物质也一直是科学研究的重要前沿课题。20世纪90年代，在美国斯坦福直线加速器(SLAC)上，科学家用46.6GeV电子束和强激光碰撞，成功产生了正负电子对，实现了能量到物质的转化。但在该实验中，高能电子束起到了至关重要作用。如果能够不借助高能电子，而是利用强激光直接激发真空产生粒子对，实现能量到物质的转化，将具有重大的理论意义和应用前景。之前受到激光强度的限制，人们一直无法在实验室实现这一过程。近年来，随着超短超快激光技术的快速发展，新的激光装置为开展这项研究提供前所未有的实验条件。同时，人们在理论上投入了大量精力来挑战这个未解难题。
    对于超高的激光强度，量子场论的微扰形式不再适用。1951年，诺贝尔奖得主Julian Schwinger 第一次用非微扰的方法研究了在强场情况下真空击穿和正负电子对产生的过程，并估算出临界电场的强度为10¹⁶V/cm，相应的激光场强度为10²⁹W/cm²。
    自从Schwinger开创性的工作以后，人们开始运用各种方法研究强场条件下的非线性过程。随着研究的深入，人们对量子场论有了更深入全面的理解。量子场论是目前对现实世界描述最为准确的物理理论之一。中科院物理所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）光物理实验室强激光高能量密度物理组、中国矿业大学、美国伊利诺州立大学、德国马普所的研究小组共同合作，在量子场论框架下，运用数值解含时Dirac方程的方法得到场算符，用非微扰的理论来研究强场下的真空击穿和正负电子对的产生过程。
    在之前的工作中，我们对Schwinger极限做了进一步的理论探索，发现如果考虑磁场效应，即使激光达到能够击穿真空的强度，仍然无法持续产生正负电子对。该工作已经发表在Phys. Rev. Lett. 109, 253202 (2012)。
    我们最近研究发现，运用两个局域电场产生的势阱，可以产生和控制局域的束缚电子态。当束缚态潜入负能海，便形成了超临界束缚态，从而导致真空激发并产生正负电子对（见图1）。这个过程类似于强激光场中的原子从束缚态到自由态的电离过程。两个过程的不同之处在于，在电子对的产生过程中，多个通道之间的协同机制是之前没有发现过的。在原子电离过程中，如果有多个电离通道，那么在长时间的情况下只有一个主要通道起作用。而在粒子对产生过程中，所有的通道都对最后的结果有影响，不存在通道之间的竞争机制。从产生的粒子数随时间的变化过程可以看出（见图2），长时间极限的粒子数与产生这些粒子的通道个数是相关的，这是由于费米子的泡利不相容原理造成的，即每个束缚态只能产生一个粒子。然而从另一方面（即图2的内图），我们可以看到粒子对的产生过程是一个指数行为。这是因为超临界束缚态和负能海中的连续态发生了共振现象，这种共振态的衰减造成了真空的极化和电子对的产生。因此我们可以用所谓的复数空间坐标变换的方法来研究这种共振，即将空间坐标x变为x exp(iθ)。然后我们可以通过变化θ值，优化得到共振态的复能量，其虚部就是相应共振态的寿命。通过比较我们发现图2内图中的直线斜率近似等于共振态寿命之和。这种现象也可以从产生的正电子的能谱中看出（见图3），（对应于束缚态的）两个峰的宽度相同，半高宽大约为0.18c²，与(复坐标变换方法得到的)两共振态寿命之和只有微小的差别，这一结论不随共振态个数增多而变化。
    上述研究成果是中科院物理所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）光物理实验室强激光高能量密度物理组、中国矿业大学（北京）、美国伊利诺州立大学、德国马普所的研究小组共同完成的。该工作已经发表在近期的物理评论快报上[Phys. Rev. Lett. 111, 183204 (2013)] (http://prl.aps.org/abstract/PRL/v111/i18/e183204)。该工作得到了国家基金委、科技部、科学院和美国国家基金委的资助。

图1. 根据总哈密顿量得到的能级分布随势阱深度V0的变化关系。随着势阱深度变大，束缚态不断潜入负能海中，形成共振态。图中的竖线是有两个束缚态潜入负能海的情形。

图2. 不同情况下粒子数随时间的变化关系：(A)是两个通道的情况，(B)是一个通道的情况。内图是在对数坐标下画的n(t)≡N(t→∞)–N(t)。

图3. 两个通道的情况下产生的正电子的能谱分布。所有参数和图2中(A)线的情况相同。