Учёные разработали «закрученный лазер», открывающий новые горизонты в управлении плазмой

Новая лазерная архитектура открывает путь к более компактным ускорителям частиц, управляемым магнитными полями экстремальной силы и новым режимам взаимодействия света с плазмой

Наука и космос211:56

Впервые в области экспериментальной физики был создан лазерный импульс, который вращается вокруг своей оси, формируя структуру, напоминающую спираль или «световую пружину». Данная работа выполнена учеными из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, Калифорнийского университета в Ирвайне и Национального комплекса зажигания (National Ignition Facility, NIF — крупнейшая в мире лазерная установка для инерциального термоядерного синтеза).

В обычных условиях высокоинтенсивный лазер, воздействующий на плазму (ионизированный газ, состоящий из свободных электронов и ионов), вызывает колебания её частиц. В новой работе лазерный импульс был спроектирован так, чтобы не только передавать энергию, но и инициировать вращательное движение, «закручивая» плазму. Этот режим позволяет создавать новые виды плазменных волн, которые ранее не наблюдались в экспериментах.

Ключевым аспектом подхода является контролируемое вращение луча вокруг центральной оси. Если бы такой лазер проецировался на экран, то световое пятно не оставалось бы статичным, а со временем рисовало бы окружности. При этом скорость вращения можно точно регулировать в широком диапазоне. В расчетах также показано, что возможны режимы с кажущейся скоростью вращения, превышающей скорость света, однако это не нарушает теорию относительности, так как здесь не идет речь о переносе материи или информации быстрее света, а о геометрии фазового фронта волны.

Разработка такого импульса стала возможной благодаря сверхточной оптике, созданной в рамках программ National Ignition Facility и направления Photon Science. Лазерный луч сначала делился на две части: одну с более короткими («синими») длинами волн и другую с более длинными («красными»). Затем каждый пучок отражался от специально изготовленных наноструктурированных зеркал.

Эти зеркала выглядят абсолютно плоскими, но на микроскопическом уровне имеют спиральный рельеф. Отклонения между расчетной формой и реальной поверхностью в некоторых случаях не превышали пяти нанометров — величины порядка нескольких атомных слоев. После отражения и точной синхронизации оба пучка вновь объединяются, формируя единый закрученный импульс, напоминающий двойную спираль ДНК.

Численные моделирования показывают, что такие волны способны генерировать магнитные поля свыше 100 тесла — это сопоставимо с одними из самых мощных полей, получаемых в лабораторных условиях. Для сравнения, магнитное поле Земли составляет порядка 50 микротесла, что в несколько миллионов раз слабее.

Особый интерес представляет потенциальное применение в плазменных ускорителях частиц. В традиционных схемах электроны со временем «догоняют» лазерный импульс и покидают область ускорения, что ограничивает возможную энергию. В случае «спиральных» плазменных волн электроны могут дольше оставаться в зоне ускорения благодаря вращательной структуре поля, что потенциально позволяет достигать высоких энергий на очень малых расстояниях — вплоть до сантиметровых масштабов.

Несмотря на сложность оптики, система реализована в компактном формате: экспериментальная установка помещается на столе, без необходимости в гигантских ускорительных комплексах. В будущем ученые рассматривают возможность интеграции всех оптических элементов в один компонент, что упростит масштабирование технологии.

Управляемая пространственно-временная структура лазерного импульса открывает новый режим взаимодействия света и плазмы. Это предоставляет инструмент для моделирования экстремальных астрофизических условий, изучения поведения вещества в сильных магнитных полях и потенциального создания более компактных ускорителей частиц нового поколения.

Darth SaharaИсточники:Nature PhotonicsНаука и космос2АстрофизикаФизикаПлазмаУскорители частицТермоядерный синтезФотоникаЛазерыКвантовая оптика11:56