Учёные разработали метод генерации мегатесловых магнитных полей с помощью лазеров

Концептуальная иллюстрация имплозии микротрубок с лезвиями (BMI). Зубчатые внутренние лезвия на цилиндрической мишени создают неосевые потоки заряженных частиц под воздействием сверхинтенсивного лазерного излучения, генерируя сильные петлевые токи и создавая магнитные поля субмегатеслового уровня. Автор: Масакацу Мураками

Исследователи из Университета Осаки разработали новый метод генерации сверхсильных магнитных полей с помощью лазерной имплозии микротрубок с лезвийной структурой. Этот метод позволяет достичь напряжённости поля, приближающейся к одному мегатесле — прорыв в области компактных систем генерации высоких магнитных полей в плазме.

Сверхсильные магнитные поля, приближающиеся к мегатесловому диапазону — сравнимые с теми, что наблюдаются у сильно намагниченных нейтронных звёзд или астрофизических джетов — теперь теоретически продемонстрированы с использованием компактной лазерной установки.

Команда под руководством профессора Масакацу Мураками из Университета Осаки предложила и смоделировала уникальную схему, использующую микроскопические полые цилиндры с внутренними лезвиями для достижения таких уровней поля. Исследование опубликовано в журнале Physics of Plasmas.

Метод, названный «имплозия микротрубок с лезвиями» (BMI), основан на воздействии сверхинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов на цилиндрическую мишень с зубчатыми внутренними лезвиями. Эти лезвия заставляют имплодирующую плазму закручиваться асимметрично, создавая циркулирующие токи вблизи центра.

Образующийся петлевой ток самосогласованно создаёт интенсивное осевое магнитное поле, превышающее 500 килотесла и приближающееся к мегатесловому диапазону. При этом не требуется внешнего начального магнитного поля.

Этот механизм радикально отличается от традиционного магнитного сжатия, которое основано на усилении исходного магнитного поля. В BMI поле генерируется «с нуля» — исключительно за счёт взаимодействия лазера с плазмой. Более того, пока мишень содержит структуры, нарушающие цилиндрическую симметрию, можно надёжно генерировать сильные магнитные поля.

Процесс образует петлю обратной связи, в которой потоки заряженных частиц — состоящие из ионов и электронов — усиливают магнитное поле, которое, в свою очередь, более плотно удерживает эти потоки, дополнительно усиливая поле.

«Этот подход предлагает мощный новый способ создания и изучения экстремальных магнитных полей в компактном формате», — говорит профессор Мураками. «Он обеспечивает экспериментальный мост между лабораторной плазмой и астрофизической вселенной».

Потенциальные применения включают:

• Лабораторную астрофизику: моделирование намагниченных джетов и внутренностей звёзд
• Лазерный термоядерный синтез: развитие схем быстрого зажигания протонными пучками
• Квантовую электродинамику в сильных полях: исследование нелинейных квантовых явлений

Моделирование проводилось с использованием полностью релятивистского кода EPOCH на суперкомпьютере SQUID в Университете Осаки.

Также была построена аналитическая модель, раскрывающая фундаментальные законы масштабирования и стратегии оптимизации мишеней.

Дополнительная информация: D. Pan et al, Gigagauss magnetic field generation by bladed microtube implosion, Physics of Plasmas (2025). DOI: 10.1063/5.0275006

Источник: University of Osaka