超算3D模拟研究揭示通过微管内爆产生MT级别磁场的关联参数

近日，大阪大学的一支研究团队，通过对“激光 - 物质”相互作用的三维粒子模拟，成功证明了可通过微管“内爆”而产生兆特斯拉（MT）级别的磁场。SCI Tech Daily 指出，这项高精度 3D 超算模拟，揭示了研究人员预测中的微米级 MT 磁场的 3D 结构。而通过优化激光条件、再结合微米级的目标结构工程设计，这项研究还为后续实现奠定了理论基础。

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微管内爆插图（来自：Masakatsu Murakami）

上图展示了由激光产生的具有兆级电子伏特能量的热电子和内壁表面的冷离子（向中心轴内爆）。

通过预先施加千特斯拉（KT）级别的均匀磁场，洛伦兹力会引起内爆离子和电子的拉莫尔陀螺运动（Larmor Gyromotion）。

而围绕中心轴集体运动的带电粒子，又可产生拍安培/平方厘米（peta-ampere/c㎡）级别的强自旋电流，最终在几十纳米的范围内产生了兆级（MT）的磁场。

t~200 fs 观察到的归一化离子密度和磁场分量透视图（3D EPOCH 模拟结果）

上图展示在一个长宽高均为 14μm 的立方铝块中心，有一个半径（R₀）为 5μm 的圆柱腔（轴与 z 轴重叠）。

平行于 z 轴的 B₀ 磁场（6 kT）在全域内均匀设置，四个目标面同时受到均匀的激光脉冲照射。

与地磁相比，MT 磁场的强度要高 1~100 亿倍（0.3-0.5G），此前学界一直预计只能在中子星或黑洞等天体附近观察到。

四种不同激光强度下，2D EPOCH 模拟得出的中心磁场时间演变。

在上述研究成果的基础上，大阪大学团队正在开展更多的雄心勃勃的 MT 级磁场实验。

自 19 世纪以来，科学家么一直努力达成这样的目标，但此前最高也仅能达成千特斯拉（kT）级别的磁场。

不过 2020 年的时候，来自大阪大学的村上正胜（Masakatsu Murakami）提出了基于“微管内爆”（Microtube Implosion）的新方案，以产生 MT 级别的超高磁场。

磁场 / 总电流矢量 / 电子密度的 2D 图案快照初始值

据悉，使用超强 / 超短激光脉冲照射微米大小的空心圆柱体，会产生速度接近光速的热电子，而后者又会沿中心轴形成对称内爆。

由于洛伦兹力，平行于中心轴的千特斯拉（kT）磁场会使离子与电子的轨迹，在目标轴附近沿着相反的方向弯曲。

对应缩放目标参数（来自：高功率激光科学与工程 | PDF）

在这项最新研究中，团队成员之一的 Didar Shokov 使用了大阪大学网络媒体中心的 OCTOPUS 超级计算机开展了广泛的 3D 模拟。

结果他们发现了一个明显的标度定律，将 MTI 产生的磁场性能和施加的激光强度、能量和目标尺寸等外部参数都关联到了一起。

关键词： 科学探索 超算3D模拟研究揭示通过微管内爆产生MT级别磁场