[论文解读] Generation of megatesla magnetic fields by intense-laser-driven microtube implosions

M. Murakami, J. J. Honrubia+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2020

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 46被引用 4

一句话总结

本文提出一种新颖方法，通过强激光驱动的微管内爆产生兆特斯拉（MT）量级磁场。通过预先注入千特斯拉量级的磁场，相对论性离子和电子发生拉莫尔回旋运动，产生超高的自旋电流（~10^15 A/cm²），并通过纳米尺度中心孔中的集体运动将磁场放大至兆特斯拉范围，展示了通往超高场物理的新途径。

ABSTRACT

A microtube implosion driven by ultraintense laser pulses is used to produce ultrahigh magnetic fields. Due to the laser-produced hot electrons with energies of mega-electron volts, cold ions in the inner wall surface implode towards the central axis. By pre-seeding uniform magnetic fields on the kilotesla order, the Lorenz force induces the Larmor gyromotion of the imploding ions and electrons. Due to the resultant collective motion of relativistic charged particles around the central axis, strong spin current densities of ~ peta-ampere/cm2 are produced with a few tens of nm size, generating megatesla-order magnetic fields. The underlying physics and important scaling are revealed by particle simulations and a simple analytical model. The concept holds promise to open new frontiers in many branches of fundamental physics and applications in terms of ultrahigh magnetic fields.

研究动机与目标

• 克服实验室环境中产生超过千特斯拉量级磁场的实验与理论限制。
• 解决理论预测磁场（~100 kT）与迄今实验观测到的最高磁场（千特斯拉量级）之间的差距。
• 开发一种可扩展的、基于激光的方法，利用几何受限的电浆流实现前所未有的磁场强度。
• 证明利用现有高功率激光技术和结构化靶材生成兆特斯拉量级磁场的可行性。
• 探索通过预种子磁场中集体粒子运动实现磁场放大的尺度规律与物理机制。

提出的方法

• 采用内半径为1–10 µm的圆柱形微管靶，以超强度飞秒激光脉冲（10^19–10^22 W/cm²）照射。
• 激光产生的热电子（1–10 MeV）形成等离子体鞘层，通过静电鞘层加速驱动冷离子向内内爆。
• 沿轴向施加预种子均匀磁场（B₀ ~ kT），诱导离子与电子发生方向相反的拉莫尔回旋运动。
• 相对论性带电粒子的集体方位运动在中心形成纳米尺度的“拉莫尔孔”，容纳超高的自旋电流密度（~10^15 A/cm²）。
• 自旋电流在中心产生自增强磁场（B_c），通过电流驱动的磁场放大机制达到兆特斯拉范围。
• 通过二维粒子-网格（PIC）模拟与简化解析模型验证，推导出B_c.max随B₀与离子通量Ψ变化的尺度规律。

实验结果

研究问题

• RQ1 强激光驱动的微管内爆能否产生超过1兆特斯拉的磁场？
• RQ2 预种子磁场在通过集体拉莫尔回旋运动放大中心磁场中起什么作用？
• RQ3 自旋电流密度及其空间约束如何随激光强度与靶结构几何形状变化？
• RQ4 决定最大可实现磁场（B_c.max）的关键尺度规律是什么，其与初始磁场B₀和离子通量Ψ的关系如何？
• RQ5 微管靶的几何结构相较于传统磁通压缩方式，如何增强磁场放大效果？

主要发现

• 微管内爆（MTI）概念成功实现了兆特斯拉（MT）量级的磁场，比以往实验极限高出2–3个数量级。
• 由于离子与电子的集体拉莫尔运动，在中心形成尺寸小于100 nm的“拉莫尔孔”，可约束超高的自旋电流密度（~10^15 A/cm²）。
• 最大磁场B_c.max与预种子磁场B₀及总离子通量Ψ成正比，已通过模拟与模型验证推导出解析尺度规律。
• 双面激光照射（n_B ≥ 2）足以实现离子前缘的足够均匀性，降低热电子穿过靶壁扩散导致的非均匀性。
• 全尺寸MTI需要脉冲能量为0.1–1 kJ、峰值功率为10–100 PW的激光系统，该参数范围在当前高功率激光技术能力之内。
• 中心磁场的极性切换现象取决于预种子磁场的方向与大小，表明该系统表现出一种新颖且非平凡的磁响应行为。