Группа американских ученых создали лазерный импульс с нетривиальной пространственной структурой. В отличие от стандартных лазерных пучков, новый импульс демонстрирует вращение вокруг собственной оси, формируя конфигурацию, которую авторы описывают как спираль или «световую пружину».
В основе эксперимента лежит воздействие интенсивного лазерного излучения на плазму — ионизированную среду, состоящую из свободных электронов и ионов. Если в классическом случае лазер вызывает преимущественно колебательные движения частиц, то в данной работе импульс был сконструирован таким образом, чтобы дополнительно передавать плазме вращательный момент. Это позволяет инициировать плазменные волны, которые ранее не наблюдались в лабораторных условиях.
Главной характеристикой разработанного подхода является возможность управлять скоростью вращения луча вокруг центральной оси. При проецировании на плоскость световое пятно описывает круговую траекторию, причем частота этого вращения может регулироваться в широком диапазоне. Согласно расчетам, возможны режимы, где кажущаяся скорость вращения превышает скорость света. Авторы уточняют, что в данном случае речь идет о движении фазового фронта волны, а не о передаче энергии или информации, поэтому данное явление не противоречит специальной теории относительности.
Техническая реализация проекта стала возможной благодаря высокоточной оптике. Лазерный луч разделялся на два канала с разными длинами волн — более короткой и более длинной. Каждый из пучков направлялся на наноструктурированные зеркала. Хотя эти зеркала визуально выглядят плоскими, их поверхность содержит спиральный рельеф микроскопического уровня. Точность изготовления такова, что отклонения расчётной формы от реальной не превышают пяти нанометров, что соответствует толщине нескольких атомных слоев. После отражения оба пучка синхронизировались во времени и объединялись, образуя единый закрученный импульс, структура которого напоминает двойную спираль ДНК.
По данным численного моделирования, такие волны могут генерировать магнитные поля с индукцией более 100 тесла. Для сравнения: напряженность магнитного поля Земли составляет около 50 микротесла, то есть примерно в несколько миллионов раз ниже.
Одной из перспективных областей применения называется плазменное ускорение частиц. В традиционных схемах электроны быстро догоняют ускоряющий импульс и покидают зону ускорения, что ограничивает конечную энергию. В случае спиральной структуры вращательное поле потенциально позволяет удерживать частицы в зоне ускорения дольше, что дает возможность достигать высоких энергий на расстояниях порядка сантиметров без использования крупных ускорительных комплексов.
Предложенный метод управления пространственно-временной структурой лазерного импульса открывает новый режим взаимодействия света с плазмой. Это, в свою очередь, предоставляет инструментарий для моделирования астрофизических процессов, изучения поведения вещества в экстремальных магнитных полях и разработки более компактных ускорителей нового поколения.
Читайте также: «Создана синтетическая клетка, которая растет, делится и передает ДНК потомству».