Учёные создали закрученный лазер для управления плазмой и ускорения частиц
Группа учёных из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, Калифорнийского университета в Ирвайне и Национального комплекса зажигания (NIF) впервые создала лазерный импульс, который закручивается вокруг собственной оси. Внешне он напоминает винтовую спираль или световую пружину. Такая структура открывает новые возможности для взаимодействия света с плазмой — ионизированным газом из свободных электронов и ионов.
Обычно мощный лазер заставляет частицы плазмы просто колебаться. В новой работе учёные сконструировали импульс так, чтобы он не только передавал энергию, но и задавал вращательное движение, закручивая плазму. Это позволяет формировать ранее не наблюдавшиеся типы плазменных волн. Если спроецировать такой луч на экран, световое пятно будет рисовать окружности, а скорость вращения можно точно настраивать.
Ключевой элемент — сверхточная оптика, разработанная в рамках программ NIF. Лазерный луч сначала разделяли на две части: одну с более короткими синими длинами волн и другую с более длинными красными. Каждый пучок отражался от специальных наноструктурированных зеркал, которые выглядят идеально плоскими, но на микроскопическом уровне содержат спиральный рельеф. Отклонения от расчётной формы не превышали пяти нанометров — несколько атомных слоёв. После отражения и синхронизации пучки объединялись в единый закрученный импульс, похожий на двойную спираль ДНК.
Численные моделирования показывают, что такие волны способны генерировать магнитные поля свыше 100 тесла. Для сравнения, магнитное поле Земли — около 50 микротесла, то есть слабее в миллионы раз. Особый интерес представляет применение в ускорителях частиц на основе плазмы. В традиционных схемах электроны быстро выходят из зоны ускорения. Спиральные волны могут удерживать их дольше благодаря вращательной структуре поля, что потенциально позволяет достигать высоких энергий на расстояниях в сантиметры.
Несмотря на сложность оптики, экспериментальная установка помещается на столе и не требует гигантских ускорительных комплексов. В перспективе исследователи планируют объединить все оптические элементы в один компонент, что упростит масштабирование технологии. Работа опубликована в журнале Nature Photonics.
