每秒2000万亿帧！科学家首次看清等离子体'抽筋'瞬间

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人类追逐人造太阳已有半个世纪。但我们始终面临一个尴尬困境：聚变燃料在点燃前就会"抽筋"。

这种名为电流丝化不稳定性的微观暴乱，会让高温等离子体像打结的耳机线一样自我纠缠，瞬间吸走能量，导致聚变点火失败。

现在，美国能源部SLAC国家加速器实验室的团队终于拍下了这场暴乱的完整录像。他们利用世界上最强的X射线自由电子激光，以每500飞秒一张的速度，首次实时捕捉了高密度等离子体中丝化结构的诞生与演化。

这项发表于《自然·通讯》的研究，不仅让我们看清了阻碍可控核聚变的罪魁祸首，还在实验室里复现了恒星爆炸时的极端磁场环境。

电流丝化不稳定性并非新鲜概念。当强激光轰击靶材产生热电子流时，这些高能电子会像开辟高速公路一样向前冲刺。为了维持电荷平衡，背景冷电子必须形成回流，两者相对运动就会撕裂成丝状结构。

问题在于，惯性约束聚变所需的等离子体密度极高，传统光学探针根本无法穿透。此前科学家只能在低密度环境下观察这种效应，所得结论难以外推到真实的聚变点火场景。

SLAC的直线加速器相干光源（LCLS）改变了这一局面。这台X射线自由电子激光器产生的光子能量极高，足以穿透 solid-density（固体密度）的等离子体。研究团队将高能激光聚焦于发丝般粗细的金属丝上，再用LCLS的X射线束以特定角度穿透拍摄，终于获得了丝化结构从诞生到发展的影像序列。

这项技术的精妙之处在于时间分辨率。500飞秒（即千万亿分之五秒）的曝光间隔，相当于以每秒2000万亿帧的速度拍摄电影。

在如此精细的时间切片中，研究人员观察到微米尺度的丝状结构如何竞争、合并，最终主导整个等离子体区域。更惊人的是，他们测得不稳定性演化过程中产生了约1000特斯拉的磁场。

这是一个什么概念？普通冰箱贴的磁场强度约为0.01特斯拉，地球磁场约为0.00005特斯拉，而医学核磁共振仪的磁场通常在3特斯拉左右。1000特斯拉已是实验室能够创造的最强磁场之一，接近中子星表面的磁场环境。

这种磁场的指数级放大机制，正是天体物理学家解释超新星爆发如何加速宇宙线粒子的关键假说。现在，我们可以在实验室里验证这一持续了数十年的理论猜测。

对聚变能源研究而言，这项突破提供了直接的诊断工具。电流丝化会改变能量沉积的空间分布，影响燃料的压缩对称性。通过实时成像，科学家终于可以精确验证哪些理论模型能够预测不稳定性增长，从而优化激光脉冲形状或靶丸设计。

在更宏大的尺度上，这项工作建立了实验室天体物理的新范式。当科学家能够用激光创造并诊断类似于恒星内部的极端状态时，宇宙就不再只是仰望的对象，而是可以主动实验的系统。

研究团队已经表示，这一平台可以扩展至研究其他类型的等离子体不稳定性，包括那些直接从聚变反应中窃取能量的模式。

中国在这一领域并非旁观者。2017年，上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL）调通出光；2021年，活细胞结构与功能成像等线站工程建成，标志着我国具备飞秒级X射线成像能力。

在聚变研究方面，中国的"神光"系列高功率激光装置持续升级，神光-Ⅲ主机装置已能开展类似的激光等离子体相互作用实验。在磁约束聚变领域，EAST和HL-2M托卡马克装置上，我国科学家对磁流体不稳定性有着深厚积累。

当SLAC的X射线穿过那团比太阳核心还炽热的物质时，人类又一次拓展了认知边界。这不仅是一次成像技术的胜利，更是向能源圣杯迈出的扎实一步。而在这条赛道上，中国科学家正凭借自己的超大激光装置，紧盯着每一个飞秒间的变化。

Christopher Schoenwaelder et al., Time-resolved X-ray imaging of the current filamentation instability in solid-density plasmas, Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-025-67160-2

SLAC National Accelerator Laboratory, "X-ray platform images plasma instability for fusion energy and astrophysics," Phys.org (February 13, 2026).