Новая лазерная архитектура прокладывает путь к более компактным ускорителям частиц, управляемым магнитными полями высокой силы и новым режимам взаимодействия света с плазмой
Наука и космос111:56
Впервые в области экспериментальной физики был создан лазерный импульс, который вращается вокруг своей оси, образуя структуру, напоминающую винтовую спираль или «световую пружину». Исследование проведено 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 осуществления инерциального термоядерного синтеза).
При обычных условиях высокоинтенсивный лазер, воздействующий на плазму (ионизированный газ, состоящий из свободных электронов и ионов), вызывает колебания её частиц. В данном исследовании лазерный импульс был спроектирован так, чтобы не только передавать энергию, но и создавать вращательное движение, «закручивая» плазму. Этот режим позволяет формировать новые типы плазменных волн, которые ранее не наблюдались в экспериментах.
Ключевая особенность данного подхода заключается в контролируемом вращении луча вокруг центральной оси. Если бы такой лазер был проецирован на экран, световое пятно не оставалось бы статичным, а со временем рисовало бы окружности. При этом скорость вращения можно точно настраивать в широком диапазоне. Моделирования также показывают, что возможны режимы с кажущейся скоростью вращения, превышающей скорость света, однако это не противоречит теории относительности, так как речь идет не о переносе материи или информации быстрее света, а о геометрии фазового фронта волны.
Создание такого импульса стало возможным благодаря высокоточной оптике, разработанной в рамках программ National Ignition Facility и направления Photon Science. Лазерный луч сначала делили 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, сопоставимой с несколькими атомными слоями. После отражения и точной синхронизации по времени 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, создаваемых в лабораторных условиях. Для сравнения, магнитное поле Земли составляет примерно 50 микротесла, то есть оно слабее на несколько миллионов раз.
Особый интерес представляет потенциальное применение в ускорителях частиц на основе плазмы. В традиционных схемах электроны со временем «догоняют» лазерный импульс и выходят из области ускорения, что ограничивает достигнутую энергию. В случае «спиральных» плазменных волн электроны могут дольше оставаться в зоне ускорения благодаря вращательной структуре поля, что потенциально позволяет получать высокие энергии 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 огромных ускорительных комплексах. В перспективе ученые рассматривают возможность объединения 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 инструменты для моделирования экстремальных астрофизических условий, изучения поведения вещества в сверхсильных магнитных полях и потенциального создания более компактных ускорителей частиц нового поколения.
Darth SaharaИсточники:Nature PhotonicsНаука и космос1АстрофизикаФизикаПлазмаУскорители частицТермоядерный синтезФотоникаЛазерыКвантовая оптика11:56
Источник