中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室近期在超強(qiáng)超短激光驅(qū)動(dòng)的等離子體韋伯不穩(wěn)定性及強(qiáng)磁場(chǎng)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(dòng)強(qiáng)流電子束誘導(dǎo)等離子體韋伯不穩(wěn)定性的增長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)獲得了強(qiáng)度高達(dá)千特斯拉(kT)量級(jí)、自組織放大的強(qiáng)磁場(chǎng)陣列。這一最新研究成果12月17日在線發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters, 121,255002 (2018))。

磁場(chǎng)廣泛存在于各種天體及天體演化過(guò)程中，從地球表面10-5T到脈沖中子星的超高強(qiáng)磁場(chǎng)（108-9T），極端強(qiáng)磁場(chǎng)在許多天體物理現(xiàn)象如太陽(yáng)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(dòng)高溫高密等離子體產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)及磁重聯(lián)等可以在實(shí)驗(yàn)室模擬許多天體物理過(guò)程。此外，強(qiáng)磁場(chǎng)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(dòng)強(qiáng)磁場(chǎng)和磁重聯(lián)的實(shí)驗(yàn)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(chǎng)強(qiáng)度在百特斯拉量級(jí)。

在該項(xiàng)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(guò)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(dòng)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(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)采用時(shí)間分辨的陰影成像和法拉第磁光偏振旋轉(zhuǎn)測(cè)量，觀測(cè)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(chǎng)陣列及其演化過(guò)程，峰值磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)2千特斯拉，持續(xù)時(shí)間2皮秒。研究揭示了強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的來(lái)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(zhǎng)，產(chǎn)生了周期結(jié)構(gòu)的電子成絲以及磁場(chǎng)的放大。該項(xiàng)研究結(jié)果開(kāi)辟了利用小型化激光裝置研究高能量密度物理及實(shí)驗(yàn)天體物理的新途徑，可以更深入地研究和理解磁場(chǎng)的產(chǎn)生、放大、磁重聯(lián)及天體現(xiàn)象的本質(zhì)。

該項(xiàng)研究得到國(guó)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(xiàng)等的支持。

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