这个被激光困住的发光小颗粒，或能揭开闪电如何产生的秘密

气溶胶是悬浮在空气中的微小液滴或固体颗粒，时刻围绕在我们身边。有些颗粒大到肉眼可见，比如春天的花粉；而另一些，像流感季节传播的病毒，则小到肉眼无法看见。还有一些甚至能通过味觉感知，例如海风携带的细盐颗粒。

ISTA（因斯布鲁克大学科学与技术研究所）的博士生安德里亚·斯托尔纳是魏图凯蒂斯和穆勒研究组的成员，她主要研究云内形成的冰晶的行为。为了更好地理解这些冰晶如何聚集电荷，她使用由非常小的透明二氧化硅球体制成的模型气溶胶进行研究。

斯托尔纳与前ISTA博士后艾萨克·莱顿、ISTA助理教授斯科特·魏图凯蒂斯及其他合作者共同研发出一种技术，该技术利用两束交叉激光束来捕获、稳定单个二氧化硅颗粒并使其带电。这种装置为研究云带电现象的起始以及闪电如何产生开辟了新的途径。

搭建稳定的激光陷阱
斯托尔纳在一张摆满抛光金属部件的大型实验台旁工作。绿色激光束在空间中交叉，从一面镜子反射到另一面镜子。实验台上发出缓慢而持续的嘶嘶声，类似轮胎漏气。“这是一个防振台，”斯托尔纳解释道，它能保护激光免受房间内或附近设备的微小干扰，这对极其精确的测量至关重要。

激光束通过一系列校准部件后，汇聚成两束窄流进入一个密封容器。在它们交汇的地方，会形成一个强光聚焦点，能将微小颗粒固定在原位。这种“光镊”（一种利用激光束捕获微小粒子的技术）能让漂浮的气溶胶颗粒悬浮足够长的时间以便研究。当颗粒被捕获时，会出现一道明亮的绿色闪光，证实陷阱成功抓住了一个发光的、完美圆形的气溶胶颗粒。

“第一次捕获到颗粒时，我欣喜若狂，”斯托尔纳回忆起两年前圣诞节前夕的突破时刻。“斯科特·魏图凯蒂斯和我的同事们冲进实验室，短暂地看了一眼被捕获的气溶胶颗粒。它只持续了整整三分钟，然后颗粒就消失了。现在我们可以将它固定在那个位置长达数周。”

达到这种控制水平花了近四年时间。实验始于莱顿开发的早期版本。“最初，我们的装置只是为了固定单个颗粒、分析其电荷，并弄清楚湿度如何改变其电荷，”斯托尔纳说。“但我们从未做到这一步。我们发现，我们使用的激光本身就在给气溶胶颗粒充电。”

激光如何使电子脱离
斯托尔纳和她的同事们发现，颗粒通过“双光子过程”获得电荷。

气溶胶颗粒通常几乎不带净电荷，电子（带负电的实体）在每个原子内绕核运动。激光束由光子（以光速传播的光粒子）组成。当两个光子同时撞击颗粒并一起被吸收时，它们可以移除一个电子。失去该电子使颗粒获得一个单位的正电荷，随着持续暴露，颗粒的正电荷会逐渐增加。

对斯托尔纳来说，确定这一过程带来了新的机会。“我们现在可以精确观察单个气溶胶颗粒从电中性到高度带电的演化过程，并调整激光功率来控制充电速率。”

随着电荷的积累，颗粒也开始以突然、短暂的爆发形式再次失去电荷。这些自发放电暗示了大气中可能发生的自然行为。

在高空，云颗粒可能经历类似的电荷积累和释放循环。

寻找闪电的第一束火花
雷暴云包含冰晶和较大冰块的混合物。当它们碰撞时，会交换电荷。随着时间的推移，云的电荷失衡变得如此严重，以至于形成闪电。一种观点认为，闪电的最初火花可能直接来自带电的冰晶。然而，闪电形成的确切机制仍未解决。其他理论认为宇宙射线启动了这一过程，因为它们产生的带电粒子在现有电场中加速。斯托尔纳表示，当前科学界的观点是，在这两种情况下，云内部的电场都太弱，无法自行引发闪电。

“我们的新装置允许我们通过密切检查颗粒随时间的充电动态来探索冰晶理论，”斯托尔纳解释道。虽然云中的天然冰晶比实验室中使用的二氧化硅颗粒大得多，但研究团队希望了解这些小规模效应将揭示产生闪电的更大过程。“我们的模型冰晶正在显示出放电现象，也许这背后还有更多奥秘。想象一下，如果它们最终能产生超小的闪电火花——那将太酷了，”她笑着补充道。