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技術前沿

國防科技大學激光驅動磁重聯理論研究取得重要進展

激光制造網 來源:MRE期刊2023-11-14 我要評論(0 )   

在國家自然科學基金等項目(批準號:12135009、12105362、12175018)資助下,國防科技大學物理系余同普教授團隊最近在激光驅動磁重聯的理論研究工作中取得重要進展。該...

在國家自然科學基金等項目(批準號:12135009、12105362、12175018)資助下,國防科技大學物理系余同普教授團隊最近在激光驅動磁重聯的理論研究工作中取得重要進展。該團隊基于全粒子數值模擬方法,借助激光等離子體相互作用實現了“唯電子磁重聯”這一天體物理中的重要磁重聯模式:其空間尺度和時間尺度都在電子尺度內,且僅觀測到電子出流。團隊系統分析了磁重聯過程中的能流密度與能量轉化項,成功揭示了唯電子磁重聯中的能量轉換機制,相關成果以“Three‐Dimensional Particle‐In‐Cell Simulations of Electron‐only Magnetic Reconnection Between Laser‐Produced Plasma Bubbles”(激光誘導等離子體泡產生唯電子磁重聯的三維全粒子模擬)為題,于2023年11月3日在Geophysical Research Letters(《地球物理研究快報》)上在線發表。

磁重聯作為等離子體一種普遍的物理過程,能夠釋放大量能量,是空間物理、天體物理以及磁約束聚變等研究領域的科學前沿問題。研究空間等離子體發生的磁重聯過程高度依賴于天文衛星觀測,具有不可控性。而在實驗室中利用超短超強激光與物質相互作用能夠驅動產生超強磁場,可以構建出與天體發生磁重聯相似的物理環境,具有主動性強、可重復性高等優點。“唯電子磁重聯”是在地球磁層最新發現的一種特殊的磁重聯模式,其電子尺度的重聯電流片并未鑲嵌在更厚的離子尺度電流片中,并且沒有產生離子出流。“唯電子磁重聯”為磁重聯的能量轉化模式提供了新的機制,即磁場能量可以在沒有離子耦合的電子尺度電流片中被轉化和耗散。
利用全粒子數值模擬,余同普教授團隊和北京師范大學平永利博士團隊合作,成功通過激光與等離子體相互作用實現了唯電子磁重聯,其空間尺度和時間尺度都在電子尺度內。在磁重聯過程中,能量轉換主要由重聯電場主導。

該研究成果增強了我們對“唯電子重聯”中能量耗散過程的理解,并為將來的實驗研究提供了理論基礎和有效指導。

圖1 數值模擬中唯電子磁重聯的出流特征隨時間的演化,第一列為電子出流,第二列為離子出流,第三列為沿出流方向取出的電子出流與離子出流。黑色箭頭代表當地磁場方向。

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