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球狀閃電是自然界最神秘的電磁現(xiàn)象之一。多國(guó)科學(xué)家都曾試圖為其做出合理解釋?zhuān)嚓P(guān)理論假說(shuō)也層出不窮，但始終缺少可重復(fù)、可精確診斷的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究團(tuán)隊(duì)，首次成功激發(fā)并穩(wěn)定捕獲了與自然界球狀閃電高度相似的球形發(fā)光體，并證實(shí)其本質(zhì)為電磁孤子，為揭示球狀閃電之謎提供了重要的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

普通閃電轉(zhuǎn)瞬即逝，而球狀閃電卻能如“光球”一般懸浮、移動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間維持。兩百余年來(lái)，不斷有人目擊這種懸浮于空中的發(fā)光球體，其直徑通常為幾十厘米，壽命可達(dá)數(shù)秒乃至數(shù)分鐘，遠(yuǎn)超普通閃電。然而，球狀閃電的出現(xiàn)完全隨機(jī)、極難捕捉，兩大核心問(wèn)題始終懸而未決：其能量何以維持？球形結(jié)構(gòu)何以穩(wěn)定？

球狀閃電雖為燃燒發(fā)光的能量球體，卻不會(huì)瞬間耗散，也不猛烈炸開(kāi)，反而能維持穩(wěn)定的形態(tài)。這種看似反常的穩(wěn)態(tài)，其根源在于它本質(zhì)上是一種能夠自我約束的穩(wěn)定波動(dòng)結(jié)構(gòu)——電磁孤子。其形成機(jī)制可概括為：相對(duì)論強(qiáng)度的電磁波電離氣體形成等離子體，并將電子和離子向外排開(kāi)，從而推出一個(gè)球形空腔；而球殼表面的高密度等離子體向內(nèi)擠壓。球形腔內(nèi)的輻射壓與球殼表面的熱壓隨著球體膨脹達(dá)成平衡，將電磁波牢牢“囚禁”在一個(gè)球形空間里。

研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期攻關(guān)，創(chuàng)新性地采用太赫茲表面波作為驅(qū)動(dòng)手段，首次成功實(shí)現(xiàn)了“類(lèi)球狀閃電”的激發(fā)與捕獲。團(tuán)隊(duì)利用金屬絲與納米尖端的近場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，將太赫茲表面波聚焦到約50nm的極小區(qū)域，獲得了超過(guò)10GV/m的相對(duì)論級(jí)強(qiáng)度太赫茲近場(chǎng)，為產(chǎn)生亞毫米尺度電磁孤子提供了高質(zhì)量驅(qū)動(dòng)源。該強(qiáng)場(chǎng)被同步注入超音速氬氣噴流中，迅速電離氣體，并形成太赫茲電磁孤子。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到一個(gè)直徑百微米級(jí)、壽命百納秒級(jí)的穩(wěn)定發(fā)光球體，其光譜特征、膨脹動(dòng)力學(xué)過(guò)程及自持演化特性均與電磁孤子理論模型高度吻合。該球體的行為特征與自然界中神秘莫測(cè)的球狀閃電表現(xiàn)出顯著的相似性，這一結(jié)果從實(shí)驗(yàn)層面印證了理論學(xué)者對(duì)球狀閃電本質(zhì)的預(yù)言——電磁孤子。

該研究不僅為破解球狀閃電這一科學(xué)懸案提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)，也揭示了極端條件下電磁能量約束的基礎(chǔ)物理機(jī)制，對(duì)強(qiáng)場(chǎng)太赫茲光子學(xué)、電磁能量存儲(chǔ)、大氣科學(xué)及地球物理學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域具有重要的啟發(fā)意義。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-光子學(xué)》上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、中國(guó)科學(xué)院等的支持。

類(lèi)球狀閃電電磁孤子結(jié)構(gòu)示意圖

太赫茲電磁孤子的受控產(chǎn)生