記者從中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所獲悉，近日，該研究所科研團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室成功復(fù)刻出類似自然界球狀閃電的現(xiàn)象，這一突破不僅為揭示球狀閃電的百年自然之謎提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)，還闡明了極端條件下能量“自我約束”的物理機(jī)制。相關(guān)成果4月16日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然?光子學(xué)》發(fā)表。

△科研團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室采集電磁孤子圖像

球狀閃電是一種罕見(jiàn)又神秘的自然現(xiàn)象，通常在雷暴后出現(xiàn)，呈球形、能短暫懸浮且發(fā)光，但它的本質(zhì)和形成原因一直是科學(xué)難題。此前理論推測(cè)，它可能是一種“電磁孤子”——由電磁場(chǎng)和等離子體形成的特殊結(jié)構(gòu)，能在沒(méi)有外部能量維持的情況下，自己“抓住”能量并保持形態(tài)。但過(guò)去的實(shí)驗(yàn)只能做出微米大小、存在時(shí)間極短的微型孤子，和自然球狀閃電差距很大。

△類球狀閃電電磁孤子結(jié)構(gòu)示意圖

中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所科研團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，選擇用波長(zhǎng)更長(zhǎng)的太赫茲波作為驅(qū)動(dòng)源，理論上能產(chǎn)生更大、更穩(wěn)定的孤子。他們基于“羲和激光裝置”，用飛秒強(qiáng)激光轟擊微金屬絲，再通過(guò)納米尖端的“聚焦”作用，把太赫茲波壓縮到極小空間，形成了強(qiáng)度極高的相對(duì)論級(jí)太赫茲近場(chǎng)。同時(shí)，科研團(tuán)隊(duì)在針尖附近引入高速氬氣噴流。在強(qiáng)太赫茲場(chǎng)作用下，氣體被迅速電離，形成參數(shù)可控的等離子體環(huán)境。太赫茲波和等離子體相互作用，最終形成了一個(gè)近毫米級(jí)的球形發(fā)光結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)顯示，這個(gè)“類球狀閃電”直徑超過(guò)百微米，能穩(wěn)定存在超過(guò)百納秒，壽命比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)大幅提升。更關(guān)鍵的是，它的發(fā)光行為、膨脹規(guī)律和溫度變化，都和自然界中的球狀閃電高度相似?？茖W(xué)家通過(guò)光譜分析發(fā)現(xiàn)，這個(gè)光球表面溫度從約7萬(wàn)攝氏度緩慢降到6千攝氏度，證明有能量持續(xù)注入，而這正是太赫茲波的輻射壓力和等離子體的熱壓力相互作用導(dǎo)致，才讓它沒(méi)有像普通閃電一樣瞬間消散。

這項(xiàng)成果對(duì)于揭示球狀閃電本質(zhì)、推動(dòng)太赫茲強(qiáng)場(chǎng)物理研究以及探索新型聚變能量約束方式等具有重要作用。