球状闪电是自然界最神秘的电磁现象之一。法拉第、特斯拉等科学家都曾试图为其做出合理解释，相关理论假说层出不穷，但始终缺少可重复、可精确诊断的实验验证。
近日，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室宋立伟、田野和李儒新团队首次在实验室条件下可控产生并稳定捕获了尺度近毫米级、寿命达亚微秒量级的球状发光体，证实其本质为电磁孤子，为揭示球状闪电之谜提供了决定性的实验证据。相关研究成果以“Ball-lightning-like relativistic terahertz solitons”为题发表于国际学术期刊《自然·光子学》（Nature Photonics）。
电磁孤子是电磁波与等离子体相互作用形成的一种稳定结构，可在无外场维持条件下实现能量形态的自持演化。这种“能量自我约束”的特性，使其成为解释自然界中一系列能量自约束等离子体现象的重要理论模型。此前理论研究表明，球状闪电可解释为微波电磁孤子的宏观表现形式：它由高温等离子体构成，能够在数秒内维持球状形态而不快速耗散。将电磁孤子拓展至宏观时空尺度，进而揭示其能量自持演化的物理机制，既是理解球状闪电本质的关键，也将为探索极端电磁场能量约束新途径——如聚变领域所追求的长寿命、高能量密度状态——提供重要的科学启示。然而，球状闪电的能量来源与稳定机制始终缺乏系统的物理解释与实验验证。自20世纪90年代以来，超强激光与等离子体实验中观测到持续时间约皮秒、尺寸为微米量级的电磁孤子，但其在空间尺度和寿命上均与自然界球状闪电相去甚远。
上海光机所研究团队提出，将驱动源从传统近红外波段拓展至波长更长的太赫兹波段，理论上可产生尺寸更大、寿命更长的宏观电磁孤子，使其更接近自然界球状闪电的特征。然而，实现这一设想面临严峻挑战：如何将太赫兹波推进至相对论强度（即电场强度足以使电子在单个光周期内加速至接近光速），并使其与等离子体参数精准匹配，是领域内长期未能攻克的关键科学难题。
得益于团队在强激光驱动丝波导太赫兹源领域的持续积累，近年来，团队取得了一系列重要进展：从早期发现飞秒激光驱动金属丝产生高效率强太赫兹辐射新机制[Nature Photonics 11, 242 (2017)]，到陆续实现毫焦级及重频太赫兹脉冲输出；阐明太赫兹表面等离激元的受激辐射放大机制[Nature 611, 55 (2022)]；研制出首台能量超越MeV的毫米级微型太赫兹波导电子枪[Nature Photonics 17, 957 (2023)]；以及近期发现近场太赫兹电子发射亚周期动力学直接重构原理[Physical Review Letters 135, 243803 (2025)]。依托2022年启动的科技部重点研发专项“超快强激光泵浦强太赫兹源驱动材料与器件非平衡态研究”，团队围绕极端太赫兹光场和非平衡物态的前沿展开了系统研究，为本次突破提供了支撑。
基于上述积累，研究团队进一步利用纳米尖端的近场增强效应，将激光驱动金属丝产生的太赫兹表面波导引至纳米级针尖，借助其亚波长约束特性（约50nm），在针尖区域实现了场强超过10 GV/m的相对论强度近场场强，为电磁孤子的产生提供了理想的驱动源。科研团队将该太赫兹近场导入至高速氩气喷流中，氩气在太赫兹强场作用下被迅速电离，形成参数精准可控的等离子体环境。借助自主搭建的高速成像系统，研究团队首次完整捕捉到球形太赫兹电磁孤子从形成、膨胀到耗散的全过程，其演化时间超过百纳秒，较传统近红外激光驱动的孤子提升了4–5个数量级。该球形孤子初始尺寸约80微米，其尺寸演化遵循 R∝t2/5 标度律。其发射光谱覆盖紫外至红外波段，对发射光谱的精确解析显示，孤子电子温度在百纳秒时间内由约6 eV（约7万摄氏度）逐渐下降至0.5 eV（约6千摄氏度），这一缓慢冷却过程证实孤子内部存在持续能量注入——即被等离子体空腔俘获的太赫兹波。正是太赫兹辐射压与球壳等离子体热压之间的动态平衡，使该电磁孤子实现了远超普通热等离子体寿命的自持演化，为球状闪电的长寿命之谜提供了清晰的实验判据。
该工作不仅为球状闪电这一百年自然之谜提供了关键实验证据与物理解释，更揭示了光辐射压力与热等离子体压力动态平衡、从而形成自持发光球形结构的精妙物理过程，生动展示了极端条件下电磁场与物质相互作用所呈现的物理美学。研究成果有望为强场太赫兹光子学、电磁能量存储、大气科学以及新型聚变物理路径探索提供有益的启示。
该研究工作得到了基金委基础科学中心项目、国家自然科学青年基金(A类)、科技部重点研发计划、中国科学院稳定支持青年团队、基础研究特区计划等项目的支持。
