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颠覆一个60多年的观念:带边缘的磁场!

一个由印度和日本物理学家组成的研究团队,推翻了一个60多年的观念,即高强度激光产生的等离子体中的巨大磁场,是从整体等离子体中的小纳米尺度演变而来的。他们的研究表明,电场实际上起源于由在等离子体中传播的电子束边界所定义的带边缘的宏观尺度。这种新机制改变了对天体物理场景和激光融合中磁场的认知,并可能有助于设计用于成像和治疗的下一代高能粒子源。

如图所示束流与等离子体相互作用中的磁场:磁场始于束边界,并且大于整体。

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巨大的磁场可以是地球的十亿多倍,存在于像中子星这样的天体物理系统中的高温稠密等离子体中。从奥斯特(Oersted)和法拉第(Faraday)时代建立的基本电磁学,告诉我们,是系统中的电流引起磁场。

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在等离子体中,有两种电流,一种是正向传播的电流,另一种是相反的,从而减轻了由正向自身传播的电流。如果电流相等且在空间中重叠,则没有净磁场。但是,在等离子体中的细微波动会使它们分开,并导致随时间增长的不稳定性。

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几十年来,人们一直相信,巨大的磁场是由等离子体内部的反向电流通过著名的韦贝尔不稳定性(Weibel instability)而产生的,其尺度远小于电子束本身。然后,磁场以所谓的“自下而上”的方式通过所谓的反向级联扩散到宏观空间。

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该研究小组显示,该场实际上起源于当前光束的边界,该边界处于宏观长度尺度上,并且向内移动到较小尺度(自上而下)。而且,该场的大小远大于由韦贝尔和其他不稳定性引起的大小。

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该小组将导致这种磁场的机制称为“有限束机制”(finite beam mechanism),以表明在此模式下电流束的有限大小的关键作用。研究表明辐射泄漏出电流的边缘,使电子束不稳定,并引起磁场。在他们的激光实验和计算机仿真中,有明显的证据表明这种模式。如下面动画所示,值得注意的是,注意在束和等离子体之间的界面处的磁场开始,等离子深处的场开始得晚得多。

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为什么在过去几十年的所有计算机模拟中都错过了这种新模式?研究人员指出,这是由于所有模拟均具有均匀性和无限范围的假设所致。但是,实际的物理系统具有边界,物理会导致一些有趣的效果,例如,电容器板末端的边缘场将带电粒子聚焦,著名的卡西米尔效应(Casimir effect)由于量子效应而导致板间的吸引力,以及称为表面等离激元的表面传播电磁模式,在纳米光学和近场显微镜中都非常流行。

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