Direct measurement of non-thermal electron acceleration from magnetically driven reconnection in a laboratory plasma
磁重联是一种普遍存在的天体物理过程，它将磁能迅速转化为等离子体流能、热能和非热高能粒子（包括高能电子）的某种组合。在不同的低$β$（plasma-to-magnetic pressure ratio）和无碰撞环境中，理论上提出了各种重联加速机制，包括一阶和二阶费米加速、电子感应加速、沿磁场的平行电场加速以及重联电场的直接加速。然而，迄今为止，它们都没有得到实验证实，因为在实验室实验中直接观察非热粒子加速是困难的，这是由于\textit{in-situ}测量的德拜长度短和\textit{ex-situ}测量的平均自由程短。在这里，我们报告的直接测量加速非热电子从低$β$磁驱动重联实验中使用激光供电的电容线圈平台。我们使用千焦耳雷射来驱动平行电流，以准轴对称几何形状重新连接兆高斯级磁场。测量的电子能谱和由此产生的加速能量的角度依赖性，支持粒子在细胞模拟，表明直接电场加速的平面外重联电场的机制是在工作。使用这种机制的定标能量与天体物理观测直接相关。因此，我们的研究结果验证了建议的加速机制之一的重联，并建立了一个新的方法来研究重联粒子加速与相关制度的实验室实验。
2022-01-25 astro-ph.HE astro-ph.IM astro-ph.SR
On the ions acceleration via collisionless magnetic reconnection in laboratory plasmas
这项工作提出了一个分析的离子流出磁重联在整个完全动力学模拟与典型的实验室等离子体值。在电流片上考虑了密度和磁场的对称初始配置。在分析了一组九个模拟的行为与减少的质量比和置换值的三个初始电子温度和磁场强度，最佳的离子加速方案进一步研究了与现实的质量比的离子动力学和能量预算。有趣的是，一系列的冲击波结构中观察到的流出，类似于最近的磁流体动力学（MHD）模拟中发现的激波不连续性。在几个距离的重联点的离子流出的分析，根据可能的实验室应用。分析表明，磁重联可用作等离子体加速的工具，其应用范围从电推进到离子热束的产生。
2016-10-28 physics.plasm-ph
Spontaneous transition to a fast 3D turbulent reconnection regime
我们展示了如何通过磁重联的磁场能量转换可以在一个完全三维的，快速的，体积填充制度的进展。许多实验室，空间和天体物理等离子体的初始配置代表自发地从众所周知的缓慢，电阻重连制度演变到一个新的制度，可以解释从吸积盘发射的喷流，在恒星/太阳耀斑过程以及在实验室等离子体中观察到的能量转移率。该过程不需要任何预先存在的湍流种子，而在能量转换开始之前，在主系统中通常不会观察到湍流种子。这种动力学主要取决于沿着磁场线和穿过磁场线的扰动的相互作用，这一过程只有在三维空间中才可能发生。这里提出的模拟是第一次能够显示这种过渡在一个完全三维的配置。
2011-02-23 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Relativistic Magnetic Reconnection in the Laboratory
磁重联是一种基本的等离子体过程，涉及通过磁场拓扑结构的变化将磁能交换为等离子体动能。在许多天体物理等离子体中，磁重联在释放大量能量\cite{hoshino1}中起着关键作用，尽管在脉冲星风发射\cite{lyubarsky1}，伽马射线暴\cite{thompson1}和活动星系核喷流\cite{liu1}等高能天体物理系统中进行直接测量是具有挑战性的。因此，磁重联的实验室研究提供了一个重要的平台，测试理论和表征不同的制度。在这里，我们提出了实验测量以及数值模拟的相对论性磁重联驱动的短脉冲，高强度激光，产生相对论性等离子体以及极强的磁场。磁重联的证据是通过等离子体的X射线发射模式、电子能谱的变化以及测量重联发生的时间来确定的。实验室中的这些相对论条件允许进一步的研究，可能会提供对空间和天体物理学中未解决领域的洞察力。
2016-10-21 physics.plasm-ph
Electromagnetic Fluctuations during Fast Reconnection in a Laboratory Plasma
在控制良好的实验室等离子体中，在低混合频率范围内的磁波动幅度与重联率的增强之间建立了正相关的明确证据。波动属于右手极化哨声波分支，斜向传播的重联磁场，与电子和离子之间的相对漂移速度相速度。短的相干长度和沿传播方向的大变化表明它们在三维中具有强非线性性质。
2003-01-29 astro-ph physics.plasm-ph
Phase Diagram for Magnetic Reconnection in Heliophysical, Astrophysical and Laboratory Plasmas
用相图概括了磁重联物理学的最新进展，该相图为太阳物理学、实验室和天体物理学中的各种应用组织了基本动力学。两个关键的无量纲参数是伦德奎斯特数和宏观系统的离子声回旋半径的单位尺寸。除了传统的单X线碰撞和无碰撞阶段，多个X线重联阶段出现由于存在的等离子体团不稳定性无论是在碰撞和无碰撞电流片。特别是，存在一个独特的阶段，称为“多X线混合相”，其中碰撞岛或等离子体团的层次是由碰撞电流片终止，导致在宏观和动力学尺度之间的快速耦合和碰撞和无碰撞动力学的混合。涉及多X线和无碰撞物理的新阶段可能对磁重联的新兴应用很重要，以加速带电粒子超过其热速度。大量的太阳物理和天体物理等离子体被调查和分组在相图：地球磁层太阳等离子体（色球层、日冕、风和速跃层）、银河系等离子体（分子云、星际介质、吸积盘及其日冕、蟹状星云、Sgr A*、伽马射线暴、磁星）、河外等离子体（活动星系核盘及其日冕、星系团、射电瓣和河外喷流）。实验室实验的意义，包括下一代重联实验，也进行了讨论。
2011-09-04 astro-ph.IM physics.plasm-ph physics.space-ph
Laboratory study of magnetic reconnection in lunar-relevant mini-magnetospheres
本文在LAPD装置上利用高重复频率纳秒激光驱动类月球离子尺度磁层，通过时序分辨体积测量和粒子模拟，揭示了电子压强各向异性驱动的仅电子磁重联机制，并与月球附近的卫星观测结果进行了对比。
2024-02-07 astro-ph.EP physics.plasm-ph physics.space-ph
Laboratory observation of plasmoid-dominated magnetic reconnection in hybrid collisional-collisionless regime
磁重联是磁场拓扑结构的断裂和重组，是宇宙中普遍存在的将磁能快速释放到等离子体粒子中的基本过程。在大多数自然情况下，重联层两侧的等离子体性质是不对称的，特别是对于与密度和温度的组合相关联的碰撞率，并严格确定重联机制。迄今为止，所有关于磁重联的实验室实验都局限于纯碰撞或无碰撞的范围。在这里，我们报告了一个精心设计的实验研究非对称磁重联在一个新的混合碰撞-无碰撞制度之间的相互作用的激光烧蚀铜和CH等离子体。我们发现，在这样的混合政权的撕裂不稳定性的增长率仍然是非常大的，导致在快速形成多个等离子体团，低于在纯粹的无碰撞政权，但远高于碰撞的情况下。此外，我们还首次利用高分辨质子照相技术直接观测到了等离子体团主导的磁重联的拓扑演化全过程。
2022-02-25 physics.plasm-ph
Laboratory evidence of electron pressure anisotropy driving plasmoid mediated magnetic reconnection
Light Stream Labs LLC（Light Stream Labs 有限责任公司）；LULI - CNRS, CEA, UPMC Univ Paris 06 : Sorbonne Université, Ecole Polytechnique, Institut Polytechnique de Paris（LULI - 法国国家科学研究中心，法国原子能和替代能源委员会，巴黎第六大学：索邦大学，综合理工学院，巴黎理工学院）；INRS-EMT；University of Bordeaux, Centre Lasers Intenses et Applications, CNRS, CEA, UMR 5107（波尔多大学，高强度激光中心，法国国家科学研究中心，法国原子能和替代能源委员会）；Central Laser Facility, Rutherford Appleton Laboratory（中央激光设施，卢瑟福·阿普尔顿实验室）；Technion Israel Institute of Technology（以色列理工学院）；CELIA, Université de Bordeaux–CNRS–CEA, UMR 5107（CELIA，波尔多大学-法国国家科学研究中心-法国原子能和替代能源委员会）；Sorbonne Université, Observatoire de Paris, Université PSL, CNRS, LUX（索邦大学，巴黎天文台，巴黎文理研究大学，法国国家科学研究中心）
研究通过3D混合模拟与激光驱动实验，发现电子压力各向异性是撕裂不稳定性增长的关键驱动因素，为实验室和天体等离子体磁重联动态评估奠定基础。
2026-04-16 physics.plasm-ph
Resistively-limited current sheet implosions in planar anti-parallel (1D) and null-point containing (2D) magnetic field geometries
电流片的内爆形成是一个基本的等离子体过程。以前的研究主要集中在早期的演变，而在这里，我们的主要目标是探索长期的演变，这可能是决定能量释放效率的关键。为了解决这个问题，我们调查两个密切相关的问题，即：（i）1D，捏反平行磁场和（ii）2D，零点包含的领域是局部不平衡的（“零崩溃”或“X点崩溃”）。在电阻MHD的框架内，我们模拟了完整的非线性演化通过三个不同的阶段：初始内爆，其最终停止机制，和随后的演变后停止。在一个参数的研究中，我们发现缩放与电阻率的电流片性能在停止时间是在良好的协议-在两个几何形状-从一个已知的一维相似性解决方案推断。我们发现，突然欧姆加热的电流片内的致密等离子体，这提供了一个压力梯度足以反对进一步崩溃和减速的收敛流达到扩散尺度后，迅速停止的内爆发生。这种反压力增长到超过力平衡所需的压力，因此内爆后的演化的特征是电流片向外“反弹”的后果。这些是：（i）发射传播快速MHD波（冲击）向外和（ii）电流片本身的宽度方向的扩展。只有在2D情况下才观察到膨胀失速，在这种情况下，通过重连射流中的流出来缓解压力。在2D的情况下，我们量化的最大量的电流片膨胀，因为它与电阻率的比例，并分析的结构的重连区域，形成后膨胀，充满了Petschek型的慢冲击和快速终止冲击。
2018-07-11 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Direct evidence of magnetic reconnection onset via the tearing instability
磁重联是空间和实验室等离子体中能量释放的偶发过程。据信，撕裂模不稳定性可能是负责在磁尾重联的发病。然而，由于其难以捉摸的性质，有一个没有在现场观察撕裂不稳定性之前，磁重联在我们最近的天然等离子体实验室。使用神经网络离群值检测方法结合集群航天器数据，我们发现独特的电子俯仰角分布与模拟预测的撕裂不稳定性和随后的演变等离子体电子和重连是一致的。我们确认，通过我们的神经网络离群值方法确定的事件远高于撕裂稳定性阈值的基础上，在本文中详细的标准。我们发现的签名磁重联分钟后，大多数撕裂的意见。我们对撕裂不稳定性的分析为重新连接机制的基本理解提供了新的见解，这一过程在宇宙中不同的天体物理等离子体状态和地球上的实验室实验中无处不在。
2022-02-24 physics.plasm-ph
Fast and slow two-fluid magnetic reconnection
提出了一个描述由电子和离子组成的不可压缩等离子体中准稳态二维磁重联的双流体磁流体力学（MHD）模型。我们发现两个不同的制度缓慢和快速重联。这两种机制的存在可以为宇宙和实验室等离子体中经常观察到的磁能的初始缓慢积累和随后的快速释放提供一种可能的解释。
2010-05-20 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Three-dimensional magnetic reconnection in astrophysical plasmas
磁重联是实验室、磁层、太阳和天体物理等离子体中的一个基本过程，其中磁能被转换为热能、体动能和快粒子能。它在二维中的性质比在三维（3D）中更好地理解，在三维中，它的特性完全不同，并且具有许多目前正在探索的不同方面。本文主要研究太阳系等离子体环境，特别是太阳耀斑中三维重联的磁流体动力学。在零点，分离器和准分离器的重联理论进行了描述，连同帐户的数值模拟和观察这三种类型的重联。分离重联和准分离重联之间的区别是一个理论上的区别，对于能量释放的观测并不重要。提出了一种新的太阳耀斑研究范式，其中三维重联起着核心作用。
2021-04-12 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Extended magnetic reconnection in kinetic plasma turbulence
本文通过磁通量输运方法在三维动力学等离子体湍流模拟中发现，重联X线可延伸至系统尺度，颠覆了重联呈斑块状的旧观点，并揭示其受临界平衡调控。
2023-08-15 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Three-Dimensional Geometry of Magnetic Reconnection Induced by Ballooning Instability in a Generalized Harris Sheet
本文首次报道了广义Harris单中由气球不稳定性引起的磁重联过程的三维几何结构。准分界线层的空间分布和结构，以及它们的时间出现和演变，表明相关的磁重联只能发生在一个三维的几何形状，这是不可约的任何二维重联过程。这一发现为亚暴爆发问题的长期争论提供了一个新的视角，并阐明了重联和气球不稳定性的综合作用。它还与先前在各种自然和实验室等离子体中发现的3D重连过程的普遍存在有关。
2017-02-17 physics.plasm-ph physics.space-ph
Transition of Magnetic Reconnection Regimes in Partially Ionized Plasmas
Boston University（波士顿大学）；Institute for Advanced Study, Princeton（普林斯顿高等研究院）；University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）；National Aeronautics and Space Administration Goddard Space Flight Center（美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心）；University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；Princeton University（普林斯顿大学）；University Corporation for Atmospheric Research（大气研究大学协会）
本研究通过三流体五时刻模型，系统探索了部分电离等离子体中磁重联模式的转变，揭示了强耦合到快速解耦重联的过渡机制及关键参数影响。
2026-08-06 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The effects of ion mass variation and domain size on octupolar out-of-plane magnetic field generation in collisionless magnetic reconnection
J. Graf von der Pahlen和D. Tsiklauri，Phys. Plas. 21，060705（2014）确定了在受应力的$X$点塌陷中八极面外磁场结构的产生是由于离子电流。场具有中心区域，包括众所周知的四极场（四极分量），以及更靠近域的角的四个极性相反的附加极（八极分量）。在这项扩展的工作中，八极结构的依赖域的大小和离子质量的变化进行了研究。模拟结果表明，产生的八极磁场的强度和空间结构与离子电子质量比无关。从而表明，离子电流在物理现实场景中的平面外磁结构生成中起着重要作用。对不同系统尺寸的模拟表明，八极结构的宽度保持不变，其空间范围为离子惯性长度的数量级。因此，结构的宽度似乎与边界条件的影响无关。然而，八极结构的长度增加更大的域的大小，由外部系统的大小规定。发现这是流出区域中的面内磁场的结构停止颗粒流并因此终止产生面外场的面内电流的结果。八极磁场结构的产生也建立在撕裂模式重联的情况。讨论了八极场产生的差异以及由此产生的$X$点坍塌和撕裂模式之间的定性差异。
2015-03-26 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Kinetic turbulence in fast 3D collisionless guide-field magnetic reconnection
虽然湍流已被证实对磁重联很重要，但人们对它在无碰撞等离子体中的作用仍知之甚少。以前试图量化湍流对重联的影响时，通常采用阿尔文涨落或其他低频涨落，或者仅在二维构型和反平行磁场中研究无碰撞动力学效应。鉴于此，本文利用三维粒子模拟程序，在频率和波数空间分析了三维导场通过无力电流片重联自发产生的动力学湍流。我们的研究揭示了重联率和动力学湍流的功能类似于目前在现场的航天器观测MMS以及在实验室重联实验MRX，VTF和\textsc{Vineta} -II。特别是，我们发现，动力学湍流发展过程中的3D导场重联表现出宽带幂律频谱扩展超出低杂波频率和电子频率。在频率空间中，湍流的谱指数在重联X线处接近-2.8。在波数空间中，当归一化重联率达到0.1时，它也变为-2.8。宽带动力学湍流主要是由于在足够薄的动力学重联电流片中激发的电流流和电子流剪切不稳定性。动力学湍流的增长对应于高的重连率，超过那些快速层流，非湍流重连。
2018-11-02 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Role of Z-pinches in magnetic reconnection in space plasmas
在无碰撞空间等离子体中，磁重联的一个普遍接受的假设是X点处磁场线的断裂。在实验室中，重联通常是在箍缩中研究的，电流通道嵌入扭曲的磁场中。没有一个空间等离子体中的磁重联模型同时考虑零点和箍缩。我们已经进行了一个三维结构中的磁重联的粒子在细胞模拟的零点，并在模拟过程中形成的Z箍缩沿螺旋零点的线。非螺旋零点比螺旋零点更稳定，并且与它们没有实质性的能量耗散。相反，捏缩中的湍流磁重联导致磁能以每离子陀螺周期约1.5%的速率衰减。在具有大比例螺旋零点的空间等离子体中，类似结构中的耗散是一种可能的情况。
2015-09-26 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
Line-Tied Flux Rope Relaxation and Reconnection: A 3D Kinetic Case Study
Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；Department of Astrophysical Sciences, Princeton University（普林斯顿大学天体物理科学系）
利用新开发的平行动理学垂直动量模型，模拟了实验室等离子体参数下两个线绑磁通绳的三维相互作用与演化，发现其从抗磁到顺磁的电流依赖转变，并揭示了重联动理学机制的相似性。
2026-07-01 physics.plasm-ph
Study of magnetic reconnection at low-$β$ using laser-powered capacitor coils
本文介绍了激光驱动电容器线圈平台micro-MRX，在低β条件下研究磁重联，直接测量到面外电场加速电子并观测到离子声波与电子声波爆发，为实验室磁重联研究提供了新途径。
2024-10-03 astro-ph.HE astro-ph.IM astro-ph.SR
Magnetic reconnection in the era of exascale computing and multiscale experiments
天体物理等离子体具有保持磁拓扑结构的能力，这不可避免地会在包括电流片在内的应力区域内引起磁能的积累。这种储存的能量通常通过磁重联的过程爆炸性地释放，这产生了磁场的重新配置，以及高速流动，热加热和非热粒子加速。无论是碰撞或动力学耗散机制，需要克服拓扑约束，这两个已经预测的理论和验证与现场航天器观测或实验室实验。然而，在理解大型系统中的磁重联方面仍然存在重大挑战，例如日冕，那里的碰撞性很弱，动力学尺度与宏观尺度相比非常小。等离子体团的不稳定性或形成多个等离子体团在长的重连电流片是一个可能的多尺度解决方案，桥接这一巨大的规模范围，新的实验室实验准备研究这些制度。结合这些努力，我们预计，未来的艾级计算时代，加上下一代的观测能力，将使一系列具有挑战性的问题，包括能量积累和重连的开始，部分电离制度，磁湍流的影响，粒子加速的新进展。
2022-02-18 astro-ph.HE astro-ph.IM astro-ph.SR
Major Scientific Challenges and Opportunities in Understanding Magnetic Reconnection and Related Explosive Phenomena in Solar and Heliospheric Plasmas
磁重联是日光层和实验室等离子体中许多爆炸现象的基础。理论/模拟、观测和实验室实验方面的新研究能力为解决本白皮书中总结的重大科学挑战提供了机会。成功将需要相关资助机构加强和持续投资，增加机构间/国际伙伴关系，以及太阳能，日光层和实验室等离子体社区的密切合作。这些投资将在理解磁重联和包括空间天气事件在内的相关爆炸现象方面取得变革性进展。
2020-09-17 astro-ph.IM astro-ph.SR physics.plasm-ph
Turbulent energization of electron power law tails during magnetic reconnection
地球的磁尾是一个很好的实验室，可以用来研究重联和湍流在确定电子轨道时的相互作用。在湍流重联过程中形成幂律尾的过程是一个有据可查的事实，仍然需要一个全面的解释。我们进行了大规模的平行粒子在细胞的3D模拟，并使用粒子速度的高能量范围的增强的统计分辨率，研究如何重新连接创建的尾巴形成的条件。该过程不是由相干的、层流的、重连产生的电场直接加速。相反，重连导致湍流外流，其中能量交换由高度非高斯分布的波动主导。在整个重联流出过程中，电子束是扩散的，但由于磁场增强的区域，例如朝向地球的偶极锋，电子束会增强。
2020-10-24 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic reconnection in partially ionized plasmas
磁重联在完全电离等离子体中得到了广泛的研究。然而，在天体物理环境中，等离子体往往是部分电离的。中性粒子与电离等离子体之间的相互作用可能会强烈影响重联机制。本文从理论、数值、观测和实验四个方面综述了不同环境下部分电离等离子体中的磁重联。我们着重于机制，使磁重联足够快的观测比较，特别是在低太阳大气中的重联事件。本文还讨论了部分电离低层太阳大气重联过程的加热机制和有关观测证据。我们描述了弱电离天体物理环境中的磁重联，包括星际介质和原恒星盘。介绍了部分电离等离子体快速重联实验的最新研究成果。
2020-03-30 physics.plasm-ph
Relativistic Laser-Matter Interaction and Relativistic Laboratory Astrophysics
本文讨论了激光辐射与等离子体相互作用在实验室相对论天体物理中的应用前景。我们讨论了表征激光和天体物理等离子体过程的无量纲参数，并强调了激光和天体物理等离子体在超相对论能量极限之间的相似性。特别是，我们地址的基本机制的带电粒子加速，无碰撞冲击波和磁重联和涡旋动力学性质相关的超相对论粒子加速问题。
2009-01-30 physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic Reconnection with Asymmetry in the Outflow Direction
流出方向不对称的磁重联发生在地球的磁尾、日冕物质抛射、通量抵消事件、天体物理盘、球马克合并实验以及自然界和实验室的其他地方。控制体积分析的情况下，进行稳定的反平行磁重联与不对称的下游压力，这是用来推导出的比例关系的流出速度从每一侧的电流片和重联率。对于不可压缩的情况和下游压力对称但下游密度不对称的情况，给出了流出速度的简单关系式。单独的不对称性并没有被发现对重连率有很大影响。在稳定状态下，流动停滞点和磁场零点不重合，除非在流动停滞点处的压力梯度可以忽略。
2009-12-23 physics.plasm-ph physics.space-ph
A novel kinetic mechanism for the onset of fast magnetic reconnection and plasmoid instabilities in collisionless plasmas
当相反的磁场通过电流片合并和湮灭时，磁重联可以爆炸性地释放磁能，驱动等离子体射流并将非热粒子群加速到高能量，在从空间和天体物理到实验室尺度的等离子体中。通过实验室实验和航天器观测，在证明在狭窄的动力学尺度电流片中如何快速耗散和重联方面取得了重大的实验进展。然而，一个挑战是要证明是什么触发了重新连接，以及它如何作为一个比这些动力学尺度大得多的全球系统的一部分快速有效地进行。在这里，我们显示实验的全面发展的过程中，电流片的形式，然后在离子动力学尺度分解成多个载流结构。结果是一致的撕裂的电流片，但修改碰撞动力学离子效应，这导致更大的增长率和数量的等离子体团比以前的实验中观察到的或相比，从标准的撕裂不稳定性理论和以前的非线性动力学重联模拟的预测。这一效应将增加等离子体团不稳定性在许多自然重联系统中的作用，在触发大范围自然等离子体的快速重联时应加以考虑，这些自然等离子体具有无碰撞、可压缩的流动，包括在地球磁鞘和磁尾以及在日球顶、在吸积盘以及在湍流高马赫数无碰撞激波中。
2021-12-06 physics.plasm-ph
Pair-loaded electron-only magnetic reconnection using laser-driven capacitor coils
Princeton University（普林斯顿大学）；University of Michigan（密歇根大学）；University Corporation for Atmospheric Research（大气研究大学联盟）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）；The Extreme Light Infrastructure ERIC（极端光基础设施欧洲研究基础设施公司）；National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology (QST)（量子放射线科学和技术国立研究所）；Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）；Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）
研究利用激光驱动的电容器线圈探讨正电子对磁重联的影响，发现正电子显著改变了重联动态和粒子加速，重联速率提高约8倍，由广义压力张量的散度驱动，正电子还扩大了扩散区域。
2026-03-17 physics.plasm-ph
Discovery of double Hall pattern associated with collisionless magnetic reconnection in dusty plasmas
本文通过首次对含带负电尘埃颗粒的三组分等离子体进行全动力学模拟，发现由传统霍尔四极电流与反向霍尔电流构成的双霍尔结构，并分析了重联率，为解释行星磁层及天体物理现象提供依据。
2023-05-30 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
Separatrices: the crux of reconnection
重联是天体物理学和实验室等离子体的关键过程之一：它与发电机相反。从能量的角度来看，发电机将动能转化为磁能，而重联则吸收磁能并返回其动能形式。大多数等离子体的核心过程都是先储存随着时间积累的磁能，然后突然释放。我们专注于这个释放。分析重联的一个关键概念是分界线，一个表面（二维线），它将嵌入在磁场线中的新鲜未扰动等离子体与嵌入在重联场线中的较热排气分离开来。在动力学物理学中，分界面成为许多关键过程发展的层。在这里，我们提出了新的结果，相对于在separatrices的过程，调节等离子体流，通电的物种，电磁场和不稳定性的separatrices开发。
2014-06-24 astro-ph.EP physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic Reconnection in a Weakly Ionized Plasma
部分电离等离子体中的磁重联是一种普遍存在的现象，从实验室到星系际尺度，但它仍然知之甚少，研究相对较少。在这里，我们提出了一个自洽的多流体模拟的磁重联在弱电离反应等离子体的太阳色球层的参数制度的一个特别关注的结果。数值模型包括碰撞输运，相互作用和反应的物种，光学薄辐射损失。该模型通过考虑实际的色球输运系数，并通过求解考虑有限离子惯性和电子中性阻力的广义欧姆定律，改进了我们在Leake等人2012 \cite{Leake2012}中的先前工作。我们发现，在二维重联的哈里斯电流片的初始宽度大于中性离子碰撞耦合尺度，电流片变薄，直到它的宽度变得小于这个耦合尺度，和中性和离子流体解耦上游的重联网站。在这个过程中的解耦，我们观察到的重连速度比单流体的斯威特-帕克预测，重组和等离子体流出都发挥了作用，在确定重连率。当电流片进一步变薄和拉长时，它变得不稳定到次级撕裂不稳定性，并看到等离子体团。在这个模拟中观察到的重联率，外流和等离子体团提供的证据表明，磁重联在色球可能是负责喷流一样的瞬态现象，如针状和色球射流。
2013-02-14 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Control of Magnetic Reconnection in High Energy Density Plasmas
University of Michigan（密歇根大学）；Princeton University（普林斯顿大学）；Boston University（波士顿大学）；Institute for Advanced Study（高等研究院）；Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）；University of Rochester（罗切斯特大学）
本研究通过第三束相对论强度激光注入电子电流丝，在激光驱动等离子体中实现了磁重联的主动控制，可根据激光到达时间加速或抑制磁重联，为聚变等离子体磁能调控及实验室天体物理研究提供新途径。
2026-08-19 physics.plasm-ph
Subion Scale Turbulence Driven by Magnetic Reconnection
该研究利用空间粗粒化霍尔磁流体模型与MMS卫星数据，首次观测证实磁重联通过向小尺度传递能量驱动亚离子尺度湍流，并得到混合Vlasov-Maxwell模拟支持。
2023-04-20 physics.plasm-ph
Direct Observations of Magnetic Reconnection in the Solar Wind Current Sheets near Mars
Boston University（波士顿大学）；Institute for Advanced Study, Princeton（普林斯顿高等研究院）；University of Iowa（爱荷华大学）；Space Sciences Laboratory, University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校空间科学实验室）；University of Toulouse（图卢兹大学）；Kyoto University（京都大学）；Laboratory for Atmospheric and Space Physics, University of Colorado, Boulder（科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理实验室）
利用MAVEN数据首次直接观测到火星附近太阳风流片中的磁重联，发现Petschek型重联排气区，表明重联可显著拓宽流片。
2026-06-16 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
Magnetic Reconnection and Intermittent Turbulence in the Solar Wind
首次利用Wind航天器在1天文单位的现场测量结果，报道了太阳风中磁重联、电流片和间歇性湍流之间的统计关系。我们确定非高斯波动的磁场矢量，$\mathbf{B}$，这是空间和时间上不均匀的增量。发现重联事件和电流片集中在间歇性湍流的间隔中，使用增量的偏方差方法识别：在$\mathbf{B}$中最非高斯的1%波动内，我们发现87%-92%的重联耗尽和$\sim$ 9%的电流片。此外，随着从数据集中去除最小的间歇性波动，所识别的电流片也将对应于重连排气的可能性急剧增加。因此，湍流的太阳风包含了一系列的间歇性磁场结构，这些结构越来越多地与电流片相关联，而电流片又越来越有可能对应于磁重联的位置。这些结果可能对实验室和天体物理等离子体产生深远的影响，因为湍流和磁重联无处不在。
2014-03-18 physics.data-an physics.plasm-ph physics.space-ph
In situ evidence for the structure of the magnetic null in a 3D reconnection event in the Earth's magnetotail
磁重联是天体物理、空间和实验室等离子体中最重要的过程之一。确定磁场线断裂并随后重新形成的点（称为磁零点）周围的结构，对于提高我们对重联的理解至关重要。但由于这一过程固有的三维性质，磁零点只能通过同时从空间至少四个点获得的测量结果来检测。使用的数据收集的四个航天器的集群星座，因为他们穿越扩散区在地球的磁尾于2001年9月15日，我们在这里报告的第一个现场证据的结构，一个孤立的磁零。结果表明，它具有正螺旋结构，其空间范围与局域离子惯性长度尺度在同一数量级，表明霍尔效应在三维重联动力学中起着重要作用.
2007-06-26 physics.plasm-ph physics.space-ph
Relativistic Magnetic Reconnection in Astrophysical Plasmas: A Powerful Mechanism of Nonthermal Emission
本综述探讨了天体物理等离子体中相对论磁重联的动理学物理，总结了其在等离子体加热、非热粒子加速、辐射重联及高能源全局模型中的最新进展与未来方向。
2025-07-16 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
The Physical Foundation of the Reconnection Electric Field
我们报告的计算机模拟和分析理论提供了一个自洽的理解的作用的重联电场，这大大超出了简单的变化磁连接。相反，我们发现，重联电场是必不可少的，以保持在扩散区的电流密度，否则将被一组过程中耗散。电流耗散的自然候选者是通过加速粒子的流出使电流载流子远离重联区域的平均对流，或者通过附近的磁场反转使电流密度的平均旋转。相反，我们在这里表明，电流耗散是热效应的结果，与相邻的磁场的载流粒子的统计相互作用的基础。我们发现，这种相互作用的重联电场的热运动的定向加速度重定向。这种热化作用在当前层的热能平衡中以准粘性项的形式表现出来。这些准粘性项用于增加平均热能。我们关于电流和热能平衡的预测很容易在实验室或卫星任务中进行探索，特别是美国宇航局的磁层多尺度任务。
2018-01-05 physics.plasm-ph physics.space-ph
Influence of 3D plasmoid dynamics on the transition from collisional to kinetic reconnection
在电阻磁流体动力学模型中，高伦德奎斯特数重联层对等离子体团不稳定性是不稳定的，导致湍流演化，其中重联率可以独立于底层电阻率。然而，这些结果的物理相关性在许多应用中仍然值得怀疑。首先，重联电场通常远高于失控极限，这意味着碰撞电阻率是无效的。此外，理论和模拟表明，等离子体团的形成可能会迅速引起过渡到动力学尺度，由于薄电流片的形成。在这里，这个问题是第一次研究使用第一性原理动力学模拟与福克-普朗克碰撞算子在3D中。低- $β$重连电流层迅速变薄，由于焦耳加热之前的斜等离子体团不稳定性的发病。标准（$k_y = 0$）撕裂模式的线性增长率同意半碰撞边界层理论，但倾斜（$|k_y|>0$）模式的角谱显着窄于预测。在非线性区域，由不稳定性形成的磁通绳在重联流出射流的作用下经历复杂的相互作用，导致具有随机磁场的湍流状态。以类似于以前的2D结果的方式，超德莱塞场诱导过渡到动力学重联薄电流层之间形成的磁通绳。这些结果可能在新的实验室实验中得到检验。
2019-06-12 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Magnetic Flux Transport Identification of Active Reconnection: MMS Observations in Earth's Magnetosphere
磁重联在改变磁场拓扑结构的同时，对能量转换起着重要的作用。这个过程发生在不同的等离子体环境中，其中磁通量的传输是固有的。在原位观测中识别活跃的磁重联位点是具有挑战性的。磁通量输运（MFT）分析是近年来发展起来的一种新技术，它能有效、准确地识别主动重联。在这项研究中，我们研究的MFT过程中，在37个以前报道的电子扩散区（EDR）/重连线交叉事件在向阳面磁层顶和磁尾和湍流磁鞘使用磁层多尺度测量。X点处共存的向内和向外MFT流提供了磁场线断开和重新连接的特征。现场观测的MFT分析的应用表明，MFT可以成功地识别活跃的重联网站在复杂的变化条件下，包括不对称和湍流上游条件。它还提供了比单独的血浆流出射流更高的识别率。MFT可用于单航天器和多航天器飞行任务以及实验室实验的现场测量。
2022-03-13 astro-ph.EP physics.plasm-ph physics.space-ph
Non-Thermal Electron Energization from Magnetic Reconnection in Laser-Driven Plasmas
利用二维和三维粒子模拟方法研究了在激光驱动等离子体磁重联实验中研究非热电子碰撞的可能性。它表明，非热电子的能量大于一个数量级以上的初始热能可以产生在等离子体条件下，目前在实验室中访问。电子被重联电场加速，在离X点不同的距离处被注入，并且在某些情况下被捕获在等离子体团中，然后逃离有限尺寸的系统。被捕获的电子可以进一步被等离子体团运动产生的电场激励。这种加速产生了类似于幂律谱的非热电子分量，包含高达约8%的相互作用电子的初始能量和约24%的初始磁能。估计的最大电子能量和观察超热电子加速所需的等离子体条件提供，铺平了道路的一个新的平台的粒子加速引起的重联实验研究。
2016-01-22 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Reconnection at 3D Magnetic Null Points: Effect of Current Sheet Asymmetry
非对称电流片可能是普遍存在于天体物理和实验室等离子体与复杂的三维（3D）磁拓扑。这项工作提出了运动学分析模型的脊柱和风扇重联在一个对称的三维零不对称的电流片。非对称扇形重联的特征在于通过每个脊柱线的磁通量的非对称重联和穿过零点的等离子体的整体流动。相比之下，不对称的脊柱重连在通量如何跨扇形平面重连方面本质上是相等和相反的。更高的脊柱重联模式还包括在每一半的风扇的涡通量输送的局部楔形。在这种情况下，两个定义的重新连接率变得合适：一个本地重新连接率量化多少通量真正重新连接在整个风扇平面和一个全局率与净通量驱动在每个半平面。通过缩放分析，它表明，当欧姆耗散在层中被假定为常数，在局部率的增加流血从全球率作为片材变形的增加。这两种模型都表明，在当前片尺寸的不对称性将有一个深刻的影响，在涉及三维零重联通量传输的重联率和方式。
2013-06-27 physics.plasm-ph
"Ideally" unstable current sheets and the triggering of fast magnetic reconnection
磁重联被认为是在空间和实验室中观察到的许多爆炸现象的动力学机制，尽管在如此高的Lundquist（$S$）数等离子体中触发磁重联的速度有多快的问题仍然是难以捉摸的。已经确定的是，一旦达到动力学尺度，重连可以比传统预测的更快地发展。它也已被证明，在电阻磁流体力学（MHD）的框架内，快速重联实现足够薄的片材通过所谓的等离子体团不稳定性的发病。后者是在专门研究斯威特-帕克电流片的研究中发现的，无论是作为初始条件还是在非线性研究中发展的明显瞬态。另一方面，快速撕裂不稳定性可以在理想情况下增长，即，$S$ -独立的，时间尺度（被称为“理想”撕裂）在当前片的纵横比尺度与宏观伦德奎斯特数为$L/a\sim S^{1/3}$ -比斯威特帕克一个小得多-提出了一种新的方法来接近崩溃的电流配置中的快速重联的启动。在这里，我们提出了一个概述，我们所谓的“理想”撕裂电阻MHD，并讨论如何同样的推理可以扩展到其他常用的等离子体模型，包括电子惯性和动力学效应。然后，我们讨论了一个方案的发病“理想”的快速重联通过崩溃的电流片，并描述了一个定量模型的非线性演化的解释“理想”的不稳定片在两个维度。
2016-09-19 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Quantifying Reconnection and it's Dynamical Role in 2D Magnetic Rayleigh-Taylor Turbulence
本文通过高分辨率二维 MRTI 模拟和自动重联检测算法，量化磁重联对羽流合并、不稳定性增长及磁能—动能转移的关键调控作用。
2025-08-29 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.geo-ph
Kinetic simulation of magnetic field generation and collisionless shock formation in expanding laboratory plasmas
最近的激光等离子体实验观测和研究了与磁化天体物理等离子体有关的一些基本物理过程，包括磁重联、无碰撞冲击和由韦伯不稳定性产生的磁场，为实验室天体物理学开辟了新的实验平台。我们开发了一个完整的动力学模拟模型的第一原理模拟这些系统，包括磁场的动态-磁场产生的比尔曼电池效应或韦伯不稳定性;平流的离子流，霍尔效应，能斯特效应;和破坏的领域耗散机制。动力学模拟，最近的实验，和天体物理等离子体之间的缩放，描述系统的关键无量纲参数。首先，模拟比尔曼电池磁场产生等离子体从薄目标扩展。两个相邻羽流的烧蚀导致形成一个电流片作为相对的比尔曼产生的领域碰撞，模拟最近的激光驱动的磁重联实验。其次，我们模拟最近的实验无碰撞磁化冲击产生，通过扩大活塞等离子体到预磁化的环境等离子体。对于所考虑的参数，Biermann效应在弯曲的激波阵面中产生额外的磁场，从而增加激波粒子反射。这两种情况下，等离子体与磁场的相互作用中的动力学过程的重要性，并打开机会，基准这些重要的过程，通过比较的理论和实验。
2017-12-01 physics.plasm-ph
Local extraction of three-dimensional magnetic reconnection X-lines
Institute for Theoretical Astrophysics, Heidelberg University（海德堡大学理论天体物理研究所）；Center for Astronomy and Astrophysics, Technical University of Berlin（柏林工业大学天文与天体物理中心）
本文提出了一种基于三维湍流等离子体模拟的局部方法，用于识别磁重联的X线和准X线，通过空间信息估计重联率并突出电流片，为复杂磁场拓扑结构中的磁重联研究提供了新视角。
2025-08-31 astro-ph.SR physics.comp-ph physics.plasm-ph
On magnetic reconnection as promising driver for future plasma propulsion systems
这项工作提出了一个更详细的分析过程中的磁重联作为有前途的离子束加速器的机制，在实验室等离子体的可能应用，更重要的是，在等离子体推进领域。在以前的工作中，已经对这个问题进行了介绍性研究，但采用了相关的近似方法，例如限制为2.5D模拟，特别是使用氢等离子体作为推进剂，其元素在实际情况中很少被考虑。此外，分析主要集中在研究结果的物理内容上，而忽略了对更重要的工程量的分析，例如这些系统有效达到的质量流量和推力。通过这项工作，我们打算填补这些空白，以提供进一步的见解，以巨大的潜力，未来的技术基础上磁重联。此外，可能的限制特征之一是重连过程产生的不可避免的对称流出。在所有可能采用的解决方案中，我们在这里提出了一个解决方案，根据初始密度分布进入重联区的粒子行为的基础上。我们证明了一个显着的净推力值可以通过建立一个纵向不对称的密度分布与相关的下降梯度。
2018-07-30 physics.plasm-ph
Radiatively Cooled Magnetic Reconnection Experiments Driven by Pulsed Power
本论文研究了脉冲功率驱动的辐射冷却磁重联，通过MARZ实验和GORGON模拟证实了等离子体团形成和强辐射冷却，为高能量密度天体物理研究提供了新平台。
2024-10-13 physics.plasm-ph
Guide Field Dependence of 3D X-Line Spreading During Collisionless Magnetic Reconnection
理论论证和大规模的双流体模拟被用来研究重联X线的扩展定位在电流的方向作为一个函数的面外（引导）磁场的强度。结果表明，弱导场和强导场的扩散机制不同。在弱引导场限制下，扩散是由于载流子的运动，如已经预先建立的。然而，强导场的传播是双向的，并且是由于沿导场的阿尔文波的激发。一般来说，我们认为X线是双向传播的，其速度取决于每个方向的两种机制中较快的一种。预测的强度的引导场的扩展机制的变化，制定和验证与三维模拟。讨论了太阳能、磁层和实验室应用。
2012-08-14 physics.plasm-ph
Ion and Electron Acoustic Bursts during Anti-Parallel Magnetic Reconnection Driven by Lasers
磁重联在等离子体中将磁能转化为热能和动能。在众多的候选机制，离子和电子之间的相对漂移，或等效的电流驱动的离子声不稳定性，已被建议在耗散的磁能在无碰撞等离子体中发挥关键作用。然而，由于离子朗道阻尼和在实验室中求解德拜长度尺度的困难，它们在重联过程中的存在和有效性还没有得到很好的理解。在这里，我们报告了一个突然发病的离子声脉冲测量集体汤姆逊散射排气反平行磁驱动重联使用高功率激光。离子声脉冲之后是电子声脉冲，伴随着电子加热和体加速。我们重现这些观察与1D和2D粒子在细胞模拟中，电子外流射流驱动离子声学不稳定性，形成双层。这些层诱导电子双流不稳定性，产生电子声脉冲并激发电子。我们的研究结果表明，离子和电子声学动力学在重联时，离子朗道阻尼是无效的，适用于一系列的天体物理等离子体，包括近地空间，恒星耀斑，和黑洞吸积引擎的条件的重要性。
2023-03-29 physics.plasm-ph
Example of exponentially enhanced magnetic reconnection driven by a spatially-bounded and laminar ideal flow
在实验室和实际感兴趣的自然等离子体中，磁力线失去可重联性的空间尺度$Δ_d$与穿过磁力线的磁重联的尺度$a$有很大不同。在日冕中，等离子体电阻率给出了$a/Δ_d\sim10^{12}$，这是磁共振常数$R_m$。不同尺度悖论的传统解决方案是，与重连场$B_{rec}$相关联的电流密度$j$通过理想演化以$R_m$的因子集中，因此$ j\sim B_{rec}/μ_0Δ_d$。第二个解决方案是当在不同的时间点计算时，对于理想的演变，增加任意选择的磁场线对之间的最大与最小间隔的比率，$Δ_{max}/Δ_{min}$。当$Δ_{max}/Δ_{min}\sim R_m$ .一个简单的太阳日冕模型将用于数值说明，自然增长率的时间是线性的电流密度，但$Δ_{max}/Δ_{min}$的指数。重新连接发生在时间尺度上，并且电流密度仅由$\ln(a/Δ_d)$从理想的演化时间和电流密度$B_{rec}/μ_0a$增强。在这两种分辨率中，一旦足够宽的区域$Δ_r$发生重联，磁场就会失去静力平衡，并在阿尔夫维尼克时间尺度上演化。阿尔夫文演化本质上是理想的，但扩展了$Δ_{max}/Δ_{min}$较大的区域。
2021-05-22 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.plasm-ph
Three-Dimensional Magnetic Reconnection Spreading in Current Sheets of Non-Uniform Thickness
针对非均匀厚度电流片，推导了无碰撞反平行磁重联的三维扩展标度理论，发现从薄到厚区域扩展时速度按厚度比减慢，并通过3D双流体模拟验证，解释了磁层和太阳观测中扩展速度偏慢的现象。
2023-03-03 physics.geo-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic Reconnection with Radiative Cooling. I. Optically-Thin Regime
磁重联是一种基本的等离子体过程，与磁能的快速耗散有关，被认为是实验室等离子体装置、地球磁层和日冕中许多破坏性现象的动力。传统的重联研究，针对这些相当脆弱的环境，有理由忽略了辐射的重联过程中的影响。然而，在高能天体物理学中的许多重连系统中（例如，吸积盘日冕、相对论性喷流、磁星耀斑），而且在强大的激光等离子体和z箍缩实验中，能量密度非常高，以至于辐射，特别是辐射冷却，可能开始发挥重要作用。这一观察激发了高能量密度辐射磁重联理论的发展。作为实现这一目标的第一步，我们在本文中提出了一个简单的Sweet-Parker非相对论连续MHD重联与强辐射冷却的理论。首先，我们展示了如何在没有引导磁场的情况下，强烈的冷却会导致重联层中等离子体的强烈压缩，从而导致更高的重联率。压缩比和层温度由欧姆加热和辐射冷却之间的平衡决定。辐射冷却层中的较低温度导致较高的斯皮策电阻率，因此导致重联率的额外增强。然后，我们将我们的一般理论应用到几个特定的天体物理学重要的辐射过程（韧致辐射，回旋加速器，逆康普顿）在光学薄制度，为零和强引导场的情况下。我们推导出的关键重连参数，包括重连率的具体表达式。我们还讨论了我们的理论的适用性的限制和条件。
2010-07-05 astro-ph.HE physics.plasm-ph
