中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實驗室近期在超強(qiáng)超短激光驅(qū)動的等離子體韋伯不穩(wěn)定性及強(qiáng)磁場產(chǎn)生研究中取得新進(jìn)展。研究人員利用一束飛秒預(yù)脈沖激光產(chǎn)生膨脹的高溫稠密等離子體半球，然后再利用一束飛秒強(qiáng)激光驅(qū)動強(qiáng)流電子束誘導(dǎo)等離子體韋伯不穩(wěn)定性的增長，實驗獲得了強(qiáng)度高達(dá)千特斯拉(kT)量級、自組織放大的強(qiáng)磁場陣列。這一最新研究成果12月17日在線發(fā)表于《物理評論快報》(Physical Review Letters, 121,255002 (2018))。

磁場廣泛存在于各種天體及天體演化過程中，從地球表面10-5T到脈沖中子星的超高強(qiáng)磁場（108-9T），極端強(qiáng)磁場在許多天體物理現(xiàn)象如太陽耀斑、伽瑪射線爆、超新星、吸積盤等中扮演著非常重要的角色。利用超強(qiáng)超短激光驅(qū)動高溫高密等離子體產(chǎn)生強(qiáng)磁場及磁重聯(lián)等可以在實驗室模擬許多天體物理過程。此外，強(qiáng)磁場在慣性約束聚變、核物理和材料科學(xué)等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。目前，利用激光驅(qū)動強(qiáng)磁場和磁重聯(lián)的實驗室天體物理研究都是在諸如神光和OMEGA這樣的大型激光裝置上進(jìn)行的，且大多基于離子的韋伯不穩(wěn)定機(jī)制，獲得的磁場強(qiáng)度在百特斯拉量級。

在該項研究中，研究人員利用一套高重復(fù)頻率kHz、數(shù)毫焦耳的飛秒激光裝置，通過操控脈沖序列與高密度固體靶相互作用，首先在靶面法線方向產(chǎn)生膨脹的高溫稠密等離子體半球，然后飛秒強(qiáng)激光驅(qū)動強(qiáng)流電子束在等離子體中誘導(dǎo)韋伯不穩(wěn)定性的增長。實驗中，通過采用時間分辨的陰影成像和法拉第磁光偏振旋轉(zhuǎn)測量，觀測到了周期分布的電子成絲結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)度高達(dá)千特斯拉的強(qiáng)磁場陣列及其演化過程，峰值磁場強(qiáng)度達(dá)2千特斯拉，持續(xù)時間2皮秒。研究揭示了強(qiáng)激光驅(qū)動的來自內(nèi)部稠密等離子體區(qū)域的高能電子發(fā)射誘導(dǎo)了電子韋伯不穩(wěn)定性的非線性增長，產(chǎn)生了周期結(jié)構(gòu)的電子成絲以及磁場的放大。該項研究結(jié)果開辟了利用小型化激光裝置研究高能量密度物理及實驗天體物理的新途徑，可以更深入地研究和理解磁場的產(chǎn)生、放大、磁重聯(lián)及天體現(xiàn)象的本質(zhì)。

該項研究得到國家自然科學(xué)杰出青年基金、上海市啟明星、中科院先導(dǎo)B類專項等的支持。

圖：飛秒強(qiáng)激光驅(qū)動等離子體產(chǎn)生千特斯拉強(qiáng)磁場陣列