中国科学院上海光机所强场激光物理国家重点实验室近期在超强超短激光驱动的等离子体韦伯不稳定性及强磁场产生研究中取得重要进展。研究人员利用一束飞秒预脉冲激光产生膨胀的高温稠密等离子体半球,然后再利用一束飞秒强激光驱动强流电子束诱导等离子体韦伯不稳定性的增长,实验获得了强度高达千特斯拉(kT)量级、自组织放大的强磁场阵列。

磁场广泛存在于各种天体及天体演化过程中,从地球表面10-5 T到脉冲中子星的超高强磁场(108~109 T),极端强磁场在许多天体物理现象如太阳耀斑、伽玛射线爆、超新星、吸积盘等中扮演着非常重要的角色。利用超强超短激光驱动高温高密等离子体产生强磁场及磁重联等可以在实验室模拟许多天体物理过程。此外,强磁场在惯性约束聚变、核物理和材料科学等领域都有着重要的应用。目前,利用激光驱动强磁场和磁重联的实验室天体物理研究都是在诸如神光和OMEGA这样的大型激光装置上进行的,且大多基于离子的韦伯不稳定机制,获得的磁场强度在百特斯拉量级。


图 飞秒强激光驱动等离子体产生千特斯拉强磁场阵列

在本项研究中,研究人员利用一套高重复频率(kHz)、数毫焦耳的飞秒激光装置,通过控制脉冲序列与高密度固体靶的相互作用,首先在靶面法线方向产生膨胀的高温稠密等离子体半球,然后利用飞秒强激光驱动强流电子束在等离子体中激发韦伯不稳定性的增长。实验中,通过采用时间分辨的阴影成像和法拉第磁光偏振旋转测量,观测到了周期分布的电子成丝结构以及强度高达千特斯拉的强磁场阵列及其演化过程,峰值磁场强度达2 kT,持续时间2 ps。研究揭示了强激光驱动的来自内部稠密等离子体区域的高能电子发射诱导了电子韦伯不稳定性的非线性增长,产生了周期结构的电子成丝以及磁场的放大。本项研究结果开辟了利用小型化激光装置研究高能量密度物理及实验天体物理的新途径,可以更深入地研究和理解磁场的产生、放大、磁重联及天体现象的本质。

论文审稿人对该研究结果给予了高度评价:“论文展示的结果不仅在激光等离子体物理领域,而且在其它领域如实验室天体物理领域都有非常重要的意义。更进一步,由于采用了高重复频率的桌面激光系统,该方案在诸多领域的潜在应用非常有吸引力。…目前采用高能激光产生千特斯拉磁场是重要的研究领域,据我所知,此前获得的最高磁场强度不超过1 kT,作者们展示的实验结果是独一无二的。…”。

这一最新研究成果以Self-Organized Kilotesla Magnetic-Tube Array in an Expanding Spherical Plasma Irradiated by kHz Femtosecond Laser Pulses为题于2018年12月17日发表在Physical Review Letters[121,255002 (2018)]上。该项研究得到了国家自然科学杰出青年基金、上海市启明星、中科院先导B类专项等项目的支持。

文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.255002