Физики создали в лаборатории миниатюрное подобие шаровой молнии
Физик Чулян Чжоу и коллеги из Китайской академии наук получили в лаборатории крошечный светящийся шар плазмы, похожий на шаровую молнию
Шаровая молния — редкое и загадочное явление: очевидцы описывают светящиеся шары, которые парят над землёй и исчезают со звуком, похожим на лопнувший мыльный пузырь. Изучить его в естественных условиях почти невозможно.
Чтобы разобраться в природе явления, учёные взяли острую вольфрамовую иглу с кончиком шириной всего 100 нанометров (для сравнения: толщина человеческого волоса — от 80 000 до 100 000 нанометров). Ультракороткий лазерный импульс, направленный на иглу, породил мощную электромагнитную волну, которая пробежала вдоль неё. У кончика иглы энергия волны сосредоточилась в очень сильном электрическом поле. Оно оторвало электроны от атомов в окружавшем иглу облаке аргона, и возник перегретый пузырь ионизированного газа — плазмы. Он вспыхнул крошечным светящимся шаром.
Сначала шар был размером около 80 микрометров, а за 100 наносекунд вырос до нескольких сотен микрометров — это намного дольше, чем длился породивший его импульс. При этом шар сохранял форму, а не рассеивался, как обычное облако горячей плазмы: в компьютерной модели обычная плазма расширялась гораздо быстрее и расплывалась. Учёные проследили за ростом шара, разобрали по длинам волн свет, который он испускал, остывая, и сравнили данные с теорией и расчётами.
Рост шара совпал с предсказаниями для электромагнитного солитона — одиночной волны, которая сохраняет форму, потому что действующие на неё силы уравновешивают друг друга. Это говорит о том, что энергия оставалась запертой внутри плазмы и поддерживала свечение. По одной из гипотез, шаровая молния — тоже такой солитон, запирающий энергию в плазменной оболочке. Авторы работы, опубликованной в журнале Nature Photonics, называют её первым управляемым получением долгоживущего солитона заметного размера с помощью мощного терагерцового излучения — электромагнитных волн между инфракрасным светом и микроволнами.
Затем учёные по своим моделям рассчитали, как такой солитон повёл бы себя в большем масштабе. Если поддерживать его не терагерцовым излучением, а микроволнами, он в теории может вырасти до метровых размеров и существовать несколько секунд — это уже ближе к рассказам очевидцев шаровой молнии. Окончательно загадку это не объясняет, но умение удерживать электромагнитную энергию в устойчивом сгустке может пригодиться и для накопителей энергии, и для изучения того, как свет взаимодействует с веществом в экстремальных условиях.
Источник: ScienceAlert
