首次，我國科學家手搓“類球狀閃電”！

球狀閃電是自然界最神秘的電磁現象之一。法拉第、特斯拉等科學家都曾試圖為其做出合理解釋，相關理論假說層出不窮，但始終缺少可重復、可精確診斷的實驗驗證。

據中國科學院上海光學精密機械研究所網站16日消息，近日，該所超強激光科學與技術全國重點實驗室宋立偉、田野和李儒新團隊首次在實驗室條件下可控產生并穩定捕獲了尺度近毫米級、壽命達亞微秒量級的球狀發光體，證實其本質為電磁孤子，為揭示球狀閃電之謎提供了決定性的實驗證據。相關研究成果發表于國際學術期刊《自然·光子學》。

類球狀閃電電磁孤子結構示意圖。

據介紹，此前理論研究表明，球狀閃電可解釋為微波電磁孤子的宏觀表現形式：它由高溫等離子體構成，能夠在數秒內維持球狀形態而不快速耗散。將電磁孤子拓展至宏觀時空尺度，進而揭示其能量自持演化的物理機制，既是理解球狀閃電本質的關鍵，也將為探索極端電磁場能量約束新途徑——如聚變領域所追求的長壽命、高能量密度狀態——提供重要的科學啟示。

然而，球狀閃電的能量來源與穩定機制始終缺乏系統的物理解釋與實驗驗證。自20世紀90年代以來，超強激光與等離子體實驗中觀測到持續時間約皮秒、尺寸為微米量級的電磁孤子，但其在空間尺度和壽命上均與自然界球狀閃電相去甚遠。

上海光機所研究團隊提出，將驅動源從傳統近紅外波段拓展至波長更長的太赫茲波段，理論上可產生尺寸更大、壽命更長的宏觀電磁孤子，使其更接近自然界球狀閃電的特征。然而，實現這一設想面臨嚴峻挑戰：如何將太赫茲波推進至相對論強度（即電場強度足以使電子在單個光周期內加速至接近光速），并使其與等離子體參數精準匹配，是領域內長期未能攻克的關鍵科學難題。

研究團隊利用納米尖端的近場增強效應，將激光驅動金屬絲產生的太赫茲表面波導引至納米級針尖，借助其亞波長約束特性（約50nm），在針尖區域實現了場強超過10 GV/m的相對論強度近場場強，為電磁孤子的產生提供了理想的驅動源。科研團隊將該太赫茲近場導入至高速氬氣噴流中，氬氣在太赫茲強場作用下被迅速電離，形成參數精準可控的等離子體環境。

借助自主搭建的高速成像系統，研究團隊首次完整捕捉到球形太赫茲電磁孤子從形成、膨脹到耗散的全過程，其演化時間超過百納秒，較傳統近紅外激光驅動的孤子提升了4–5個數量級。該球形孤子初始尺寸約80微米，其尺寸演化遵循 R∝t2/5標度律。其發射光譜覆蓋紫外至紅外波段，對發射光譜的精確解析顯示，孤子電子溫度在百納秒時間內由約6 eV（約7萬攝氏度）逐漸下降至0.5 eV（約6千攝氏度），這一緩慢冷卻過程證實孤子內部存在持續能量注入——即被等離子體空腔俘獲的太赫茲波。正是太赫茲輻射壓與球殼等離子體熱壓之間的動態平衡，使該電磁孤子實現了遠超普通熱等離子體壽命的自持演化，為球狀閃電的長壽命之謎提供了清晰的實驗判據。

該工作不僅為球狀閃電這一百年自然之謎提供了關鍵實驗證據與物理解釋，更揭示了光輻射壓力與熱等離子體壓力動態平衡、從而形成自持發光球形結構的精妙物理過程，生動展示了極端條件下電磁場與物質相互作用所呈現的物理美學。研究成果有望為強場太赫茲光子學、電磁能量存儲、大氣科學以及新型聚變物理路徑探索提供有益的啟示。

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