美國能源部SLAC國家加速器實(shí)驗室的科研團(tuán)隊近日取得一項突破性進(jìn)展，他們首次利用高能X射線激光捕捉到高密度等離子體中不穩(wěn)定性的動態(tài)演化過程，并發(fā)現(xiàn)該過程能產(chǎn)生超強(qiáng)磁場。這一發(fā)現(xiàn)為核聚變能源開發(fā)及宇宙極端現(xiàn)象研究開辟了新路徑。

研究團(tuán)隊在極端條件物質(zhì)裝置上構(gòu)建了創(chuàng)新實(shí)驗平臺。他們將高功率激光聚焦于直徑僅頭發(fā)絲粗細(xì)的金屬絲靶，瞬間產(chǎn)生稠密等離子體環(huán)境。隨后運(yùn)用實(shí)驗室特有的LCLS X射線激光器作為"超高速顯微鏡"，以飛秒級時間分辨率（千萬億分之一秒）穿透等離子體，實(shí)時記錄其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。實(shí)驗中每隔500飛秒就拍攝一張高精度圖像，首次清晰呈現(xiàn)出微米尺度的絲狀結(jié)構(gòu)形成過程。

項目負(fù)責(zé)人謝格弗里德·格倫澤爾教授指出："我們通過精確控制激光與X射線脈沖的時間差，完整記錄了不穩(wěn)定性從萌芽到發(fā)展的全過程。這種觀測精度在等離子體研究領(lǐng)域尚屬首次。"實(shí)驗數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)高溫電子流與反向運(yùn)動的冷電子流碰撞時，會在等離子體中形成復(fù)雜的絲狀圖案，這種動態(tài)過程與太陽等恒星內(nèi)部的能量釋放機(jī)制存在相似性。

更令人振奮的是，研究人員發(fā)現(xiàn)這種不穩(wěn)定性能夠產(chǎn)生約1000特斯拉的極端磁場，強(qiáng)度是普通冰箱磁鐵的10萬倍。通過對比計算機(jī)模擬結(jié)果，團(tuán)隊確認(rèn)該磁場強(qiáng)度與宇宙射線加速現(xiàn)象存在直接關(guān)聯(lián)。爆炸恒星等天體物理過程中產(chǎn)生的強(qiáng)磁場，被認(rèn)為是通過類似機(jī)制將粒子加速至接近光速的關(guān)鍵因素。

這項成果對核聚變研究具有雙重意義。一方面，稠密等離子體中的不穩(wěn)定性是影響聚變反應(yīng)效率的主要障礙，新發(fā)現(xiàn)的演化機(jī)制為抑制這些不穩(wěn)定因素提供了理論依據(jù)；另一方面，實(shí)驗室模擬的極端環(huán)境與慣性約束聚變實(shí)驗條件高度吻合，為優(yōu)化聚變裝置設(shè)計提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。格倫澤爾教授強(qiáng)調(diào)："理解這些不穩(wěn)定性的產(chǎn)生時機(jī)和增長規(guī)律，是最終實(shí)現(xiàn)可控核聚變的必經(jīng)之路。"

該實(shí)驗平臺展現(xiàn)出強(qiáng)大的擴(kuò)展性。研究團(tuán)隊已證明其可同時觀測多種等離子體不穩(wěn)定性，包括那些會消耗聚變能量的有害波動。這種多維度觀測能力為天體物理學(xué)和聚變工程領(lǐng)域提供了全新研究工具，有望推動兩個領(lǐng)域的技術(shù)突破形成協(xié)同效應(yīng)。