Группа учёных под руководством профессора Масакацу Мураками из Университета Осаки представила инновационный способ генерации ультрасильных магнитных полей, приближающихся по интенсивности к мегатесловым значениям. Данный метод базируется на уникальной концепции лазерной имплозии микротрубок с внутренними лопастями и потенциально открывает совершенно новые возможности для компактной и доступной лабораторной физики плазмы.
От идеи к сверхсильным полям: лазерная имплозия микротрубок
Сердцем этого революционного подхода служит так называемая «имплозия микротрубок с лопастями». Метод предусматривает использование микроскопических полых цилиндров с внутренними структурами, напоминающими зубья пилы. С помощью точных фемтосекундных лазерных импульсов эти цилиндры подвергаются мощному воздействию, в результате чего внутри образуется высокоэнергетическая плазма. Лопасти внутри микротрубки вызывают сложное искривление траекторий частиц, что порождает циркуляцию токов в центральной области.
Особенность новой технологии заключается в том, что формируется сильнейшее осевое магнитное поле вплоть до порядка одного мегатесла, без необходимости предварительного внешнего магнитного поля. Эффект достигается благодаря самому взаимодействию лазерного импульса с неправильно-симметричной мишенью, создающей условия для устойчивого усиления магнитного поля непосредственно в ходе эксперимента.
В чем заключается отличие от классического магнитного сжатия
Классические методы получения больших магнитных полей обычно требуют наличия основного магнитного поля и его дальнейшего сжатия, что сопряжено с техническими ограничениями и высокой стоимостью оборудования. В отличие от этого, предложенный подход профессора Мураками принципиально отличается: формирование поля происходит «с нуля» исключительно за счет управляемого взаимодействия плазмы и лазера, а сложная микроструктура внутри цилиндра запускает автономную цепочку усиления.
Саморазвивающаяся обратная связь процесса, в которой заряженные частицы (ионы и электроны) ускоряются и начинают двигаться по замкнутым траекториям, приводит к увеличению тока и, следовательно, поля. Чем сильнее магнитное поле, тем плотнее «закручиваются» токи, ещё интенсивнее нагнетая этот эффект. Такой подход делает создание рекордных магнитных полей проще, доступнее и значительно дешевле, чем ранее существовавшие решения.
Эксперименты и моделирование: роль суперкомпьютера SQUID
Детальное теоретическое исследование процесса и численное моделирование всех стадий эксперимента были осуществлены на современном суперкомпьютере SQUID на базе Университета Осаки. Математические модели помогли раскрыть фундаментальные закономерности и определить оптимальные параметры для максимизации результирующего магнитного поля. Аналитические расчёты позволили выработать новые законы масштабирования эффекта, что существенно приближает область эксперимента к практическому применению.
Такой научный симбиоз передовых вычислительных ресурсов и глубоких теоретических знаний открывает двери для создания аналогичных установок в других лабораториях мира и их использования в различных областях фундаментальной и прикладной науки.
Будущее исследований: новые горизонты для науки
Потенциал новой технологии трудно переоценить. Сверхсильные магнитные поля подобного рода наблюдаются лишь в экстремальных условиях — например, вблизи нейтронных звёзд, магнетаров или внутри мощных астрофизических джетов. Теперь лаборатории получили инструмент, с помощью которого можно воспроизводить и изучать подобные явления прямо на Земле.
Профессор Масакацу Мураками с энтузиазмом отмечает, что новая методика позволяет наладить экспериментальный мост между физикой плазмы и объектами Вселенной. Это уникальный шаг вперёд для лабораторной астрофизики, изучения поведения материи при экстремальных плотностях и температурах, а также перспективной лазерной энергетики.
Широкий спектр применения и яркие перспективы
Возможности практического использования мегатесловых полей, полученных с помощью метода лазерной имплозии микротрубок, внушительны:
• Лабораторное моделирование астрофизических феноменов — от поведения магнитных струй до физических процессов в недрах звёзд;
• Создание новых схем лазерного термоядерного синтеза, включая быстрый запуск реакций с помощью протонных пучков;
• Изучение экзотических явлений квантовой электродинамики и сильных нелинейных процессов;
• Разработка устройств энергомагнитной диагностики и новые методы контроля плазмы при высоких температурах.
Всё это свидетельствует о начале новой эры в управлении и исследовании сверхмощных магнитных полей с помощью доступных и компактных технологий. Яркий вклад японских учёных во главе с Масакацу Мураками и применение суперкомпьютера SQUID позволили совершить важный шаг в сторону практического решения фундаментальных задач современной науки.
Источник: scientificrussia.ru
