中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室近期在超強超短激光驅動的等離子體韋伯不穩定性及強磁場產生研究中取得新進展。研究人員利用一束飛秒預脈沖激光產生膨脹的高溫稠密等離子體半球，然后再利用一束飛秒強激光驅動強流電子束誘導等離子體韋伯不穩定性的增長，實驗獲得了強度高達千特斯拉(kT)量級、自組織放大的強磁場陣列。這一最新研究成果12月17日在線發表于《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磁場（108-9T），極端強磁場在許多天體物理現象如太陽耀斑、伽瑪射線爆、超新星、吸積盤等中扮演著非常重要的角色。利用超強超短激光驅動高溫高密等離子體產生強磁場及磁重聯等可以在實驗室模擬許多天體物理過程。此外，強磁場在慣性約束聚變、核物理和材料科學等領域都有著重要的應用。目前，利用激光驅動強磁場和磁重聯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行的，且大多基于離子的韋伯不穩定機制，獲得的磁場強度在百特斯拉量級。
在該項研究中，研究人員利用一套高重復頻率kHz、數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生膨脹的高溫稠密等離子體半球，然后飛秒強激光驅動強流電子束在等離子體中誘導韋伯不穩定性的增長。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測量，觀測到了周期分布的電子成絲結構以及強度高達千特斯拉的強磁場陣列及其演化過程，峰值磁場強度達2千特斯拉，持續時間2皮秒。研究揭示了強激光驅動的來自內部稠密等離子體區域的高能電子發射誘導了電子韋伯不穩定性的非線性增長，產生了周期結構的電子成絲以及磁場的放大。該項研究結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生、放大、磁重聯及天體現象的本質。
該項研究得到國家自然科學杰出青年基金、上海市啟明星、中科院先導B類專項等的支持。
圖：飛秒強激光驅動等離子體產生千特斯拉強磁場陣列
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