实验室硕士生陈芳首次探测到静电孤波的内部结构
近日，实验室符慧山教授团队首次探测到了静电孤立波的内部结构，发现其中的电子分布函数没有明显变化，电子和离子没有明显的加速特征。这与之前人们普遍预期的“强烈电子加速”不一致，挑战了人们对静电孤立波的传统认识。该成果以“First Measurements of Electrons and Waves inside an ElectrostaticSolitary Wave”为题发表于物理学领域的著名期刊《物理评论快报》(Physical ReviewLetters 124, 095101, 2020)上（图一）。符慧山教授为论文的第一作者兼通讯作者，硕士生陈芳为第二作者。
图一 PRL论文截图
静电孤立波（Electrostatic solitary wave）是空间等离子体、天体等离子体、和实验室等离子体中的一种基本结构。早在20世纪初，诺贝儿奖获得者德拜（图二）就发现：当等离子体的尺度大于某个特征尺度（后来被称为德拜尺度）时，等离子体显示出电中性；而当等离子体的尺度小于德拜尺度时，等离子体的电中性消失。通常情况下，德拜尺度非常小（在托卡马克装置中约为0.1毫米，在地球的电离层中约为1毫米，在太阳大气中约为1厘米，在地球磁层中约为100米），因此想要对这一尺度的物理机构进行探测非常困难。而静电孤立波正好是该尺度的物理结构。因此到目前为止，静电孤立波的内部结构从未被探测到。为了探测该结构，欧洲科学家甚至提出了一个名为“德拜探针”的卫星计划。
图二 参加第五届索尔维会议时的德拜（第二排左起第一人）
由于地球磁层的德拜尺度较大，因此磁层是研究静电孤立波的最佳场所。然而，磁层的劣势是静电孤立波在其中传播速度通常很快，导致卫星对该结构的测量时间有限（通常为几毫秒，远远小于卫星的测量精度）。在这样的情况下，想要测量静电孤立波的内部结构几乎不可能。
所幸的是，符慧山教授课题组在地球磁尾捕捉到了一个运动速度很慢的静电孤立波（卫星参考系下的速度为99公里每秒）。该结构被卫星测量的时间超过250毫秒（大于卫星的测量精度，见图三）。利用这个有利条件，课题组成员对静电孤立波内部的电子分布函数（图三）、离子分布函数、以及波动进行了详细研究，发现静电孤立波内部存在电子回旋波，但是没有电子加速和离子加速。这违背了人们的普遍预期——静电孤立波能够非常有效的加速电子，因而也挑战了人们对静电孤立波的传统认识，让人们对静电孤立波的认知达到了一个新的高度。
图三 静电孤立波内外的电子分布函数对比
该工作受到了国家自然科学基金委创新研究群体的资助。