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球狀閃電是自然界最神秘的電磁現象之一。多國科學家都曾試圖為其做出合理解釋，相關理論假說也層出不窮，但始終缺少可重復、可精確診斷的實驗驗證。近日，中國科學院上海光學精密機械研究所研究團隊，首次成功激發并穩定捕獲了與自然界球狀閃電高度相似的球形發光體，并證實其本質為電磁孤子，為揭示球狀閃電之謎提供了重要的實驗證據。

普通閃電轉瞬即逝，而球狀閃電卻能如“光球”一般懸浮、移動，長時間維持。兩百余年來，不斷有人目擊這種懸浮于空中的發光球體，其直徑通常為幾十厘米，壽命可達數秒乃至數分鐘，遠超普通閃電。然而，球狀閃電的出現完全隨機、極難捕捉，兩大核心問題始終懸而未決：其能量何以維持？球形結構何以穩定？

球狀閃電雖為燃燒發光的能量球體，卻不會瞬間耗散，也不猛烈炸開，反而能維持穩定的形態。這種看似反常的穩態，其根源在于它本質上是一種能夠自我約束的穩定波動結構——電磁孤子。其形成機制可概括為：相對論強度的電磁波電離氣體形成等離子體，并將電子和離子向外排開，從而推出一個球形空腔；而球殼表面的高密度等離子體向內擠壓。球形腔內的輻射壓與球殼表面的熱壓隨著球體膨脹達成平衡，將電磁波牢牢“囚禁”在一個球形空間里。

研究團隊經過長期攻關，創新性地采用太赫茲表面波作為驅動手段，首次成功實現了“類球狀閃電”的激發與捕獲。團隊利用金屬絲與納米尖端的近場增強效應，將太赫茲表面波聚焦到約50nm的極小區域，獲得了超過10GV/m的相對論級強度太赫茲近場，為產生亞毫米尺度電磁孤子提供了高質量驅動源。該強場被同步注入超音速氬氣噴流中，迅速電離氣體，并形成太赫茲電磁孤子。實驗觀測到一個直徑百微米級、壽命百納秒級的穩定發光球體，其光譜特征、膨脹動力學過程及自持演化特性均與電磁孤子理論模型高度吻合。該球體的行為特征與自然界中神秘莫測的球狀閃電表現出顯著的相似性，這一結果從實驗層面印證了理論學者對球狀閃電本質的預言——電磁孤子。

該研究不僅為破解球狀閃電這一科學懸案提供了關鍵實驗證據，也揭示了極端條件下電磁能量約束的基礎物理機制，對強場太赫茲光子學、電磁能量存儲、大氣科學及地球物理學等相關領域具有重要的啟發意義。

相關研究成果發表在《自然-光子學》上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院等的支持。

類球狀閃電電磁孤子結構示意圖

太赫茲電磁孤子的受控產生