记者从中国科学院上海光学精密机械研究所获悉，近日，该研究所科研团队在实验室成功复刻出类似自然界球状闪电的现象，这一突破不仅为揭示球状闪电的百年自然之谜提供了关键实验证据，还阐明了极端条件下能量“自我约束”的物理机制。相关成果4月16日在国际学术期刊《自然・光子学》发表。
△科研团队在实验室采集电磁孤子图像
球状闪电是一种罕见又神秘的自然现象，通常在雷暴后出现，呈球形、能短暂悬浮且发光，但它的本质和形成原因一直是科学难题。此前理论推测，它可能是一种“电磁孤子”——由电磁场和等离子体形成的特殊结构，能在没有外部能量维持的情况下，自己“抓住”能量并保持形态。但过去的实验只能做出微米大小、存在时间极短的微型孤子，和自然球状闪电差距很大。
△类球状闪电电磁孤子结构示意图
中国科学院上海光学精密机械研究所科研团队另辟蹊径，选择用波长更长的太赫兹波作为驱动源，理论上能产生更大、更稳定的孤子。他们基于“羲和激光装置”，用飞秒强激光轰击微金属丝，再通过纳米尖端的“聚焦”作用，把太赫兹波压缩到极小空间，形成了强度极高的相对论级太赫兹近场。同时，科研团队在针尖附近引入高速氩气喷流。在强太赫兹场作用下，气体被迅速电离，形成参数可控的等离子体环境。太赫兹波和等离子体相互作用，最终形成了一个近毫米级的球形发光结构。
实验显示，这个“类球状闪电”直径超过百微米，能稳定存在超过百纳秒，寿命比传统实验大幅提升。更关键的是，它的发光行为、膨胀规律和温度变化，都和自然界中的球状闪电高度相似。科学家通过光谱分析发现，这个光球表面温度从约7万摄氏度缓慢降到6千摄氏度，证明有能量持续注入，而这正是太赫兹波的辐射压力和等离子体的热压力相互作用导致，才让它没有像普通闪电一样瞬间消散。
这项成果对于揭示球状闪电本质、推动太赫兹强场物理研究以及探索新型聚变能量约束方式等具有重要作用。