微型管内爆会产生兆级特斯拉的磁场

微型管内爆的图解。在用超强激光脉冲照射之前，均匀的外磁场被预先播种。M Murakami 供图。

最近一种新发现被称为微型管内爆机制，可以产生比在实验室中任何见到的磁场都强1000倍。据在日本Osaka University开发这种机制的研究人员介绍，这种新方法可以用来产生超强磁场，用于材料科学、量子电动力学和天体物理学等领域的基础研究。

迄今为止，实验室产生的最强磁场一直在千量级特斯拉(kT)范围内。这远远强于地球的磁场（地球磁场强度为0.3–0.5 × 10–4 T），也大大超过磁共振成像 (MRI)产生的磁场强度(约1T)。虽然在较低数值范围内的磁场是重要的实验工具，但更强的磁场可以使研究等离子体和光束物理学、天体物理学和太阳物理学等领域的基本物理现象成为可能。因此，研究人员正在探索产生这种超强力磁场的各种方法，包括碰撞冲击、强磁等离子体中的伽马射线和聚变，以及爆炸物、高功率激光和被称为 z-pinches 的器件。这些器件几十年来一直被天文学家用来重现恒星内部存在的热等离子体。

自旋电流产生的磁场

大多数这些方法都是从“预播种”强磁场中获取磁通量，并试图将其限制在中空圆柱型结构中。现在由Masakatsu Murakami领导的一个团队使用了类似的物理装置，但是有一个改动: 其微型管内爆技术中的超高磁场是由自旋电流产生的，因为带电粒子在洛伦兹力的作用下旋转，洛伦兹力作用于磁场中移动的带电粒子。

在他们的工作中，研究人员模拟使用大约1020-1022 W/cm2的高强度激光脉冲辐照一个微米大小的塑料管，管的内衬用结构化的“靶”材料覆盖。这种强辐射产生“热”电子(即具有大量动能的电子) ，其温度相当于几十兆电子伏(MeV)。这些高能电子导致管中的靶材料电离，产生等离子体，随后以接近相对论的速度膨胀进入管中(内爆)。

在一个没有预种子磁场存在的理想结构中，这个过程不会产生强磁场。然而，研究人员发现，如果他们在他们的模拟系统中引入一个千级特斯拉的磁场，他们可以在微管中心产生一个“非同寻常的”磁场，这个磁场比之前播种的磁场强100-1000倍。Murakami说，这种强磁场只存在于中子星和黑洞等天体中。

证明原理的实验

这到底发生了什么？Murakami解释说，在内爆过程中，洛伦兹力使等离子体中的离子和电子偏转到相反的方向，使它们变得扭曲，这种效应被称为拉莫尔回旋。围绕微管中心轴的相对论电荷粒子集体运动产生了密度约为1015A/cm2的强自旋电流。他说这些自旋电流随后在微管中心产生了兆级的磁场。

Murakami在接受Physics World杂志采访时说: “我们的新研究详细内容发表在《Scientific Reports》杂志上。它证明了当前的激光技术可以用来产生巨大的磁场。现在我们计划利用微管内爆的新概念研究高能量密度物理，如粒子加速度，开发紧凑型核聚变器件和电子-正电子对的产生。”