在国家自然科学基金等项目(批准号：12135009、12105362、12175018)资助下，国防科技大学物理系余同普教授团队最近在激光驱动磁重联的理论研究工作中取得重要进展。该团队基于全粒子数值模拟方法，借助激光等离子体相互作用实现了“唯电子磁重联”这一天体物理中的重要磁重联模式：其空间尺度和时间尺度都在电子尺度内，且仅观测到电子出流。团队系统分析了磁重联过程中的能流密度与能量转化项，成功揭示了唯电子磁重联中的能量转换机制，相关成果以“Three‐Dimensional Particle‐In‐Cell Simulations of Electron‐only Magnetic Reconnection Between Laser‐Produced Plasma Bubbles”(激光诱导等离子体泡产生唯电子磁重联的三维全粒子模拟)为题，于2023年11月3日在Geophysical Research Letters(《地球物理研究快报》)上在线发表。
磁重联作为等离子体一种普遍的物理过程，能够释放大量能量，是空间物理、天体物理以及磁约束聚变等研究领域的科学前沿问题。研究空间等离子体发生的磁重联过程高度依赖于天文卫星观测，具有不可控性。而在实验室中利用超短超强激光与物质相互作用能够驱动产生超强磁场，可以构建出与天体发生磁重联相似的物理环境，具有主动性强、可重复性高等优点。“唯电子磁重联”是在地球磁层最新发现的一种特殊的磁重联模式，其电子尺度的重联电流片并未镶嵌在更厚的离子尺度电流片中，并且没有产生离子出流。“唯电子磁重联”为磁重联的能量转化模式提供了新的机制，即磁场能量可以在没有离子耦合的电子尺度电流片中被转化和耗散。利用全粒子数值模拟，余同普教授团队和北京师范大学平永利博士团队合作，成功通过激光与等离子体相互作用实现了唯电子磁重联，其空间尺度和时间尺度都在电子尺度内。在磁重联过程中，能量转换主要由重联电场主导。
该研究成果增强了我们对“唯电子重联”中能量耗散过程的理解，并为将来的实验研究提供了理论基础和有效指导。
图1 数值模拟中唯电子磁重联的出流特征随时间的演化，第一列为电子出流，第二列为离子出流，第三列为沿出流方向取出的电子出流与离子出流。黑色箭头代表当地磁场方向。
