Впервые в экспериментальной физике создан лазерный импульс, который закручивается вокруг собственной оси, формируя структуру, напоминающую винтовую спираль или «световую пружину». Работа выполнена учёными из Ливерморской национальной лабораторияи имени Лоуренса, Калифорнийского университета в Ирвайне и Национального комплекса зажигания (National Ignition Facility, NIF — крупнейшая в мире лазерная установка для осуществления инерциального термоядерного синтеза).
В обычных условиях высокоинтенсивный лазер, воздействующий на плазму (ионизированный газ из свободных электронов и ионов), заставляет её частицы колебаться. В новой работе лазерный импульс был сконструирован так, чтобы не только передавать энергию, но и задавать вращательное движение, «закручивая» плазму. Такой режим позволяет формировать новые типы плазменных волн, ранее не наблюдавшиеся в экспериментах.
Ключевая особенность подхода — управляемое вращение луча вокруг центральной оси. Если бы такой лазер проецировался на экран, то световое пятно не оставалось бы неподвижным, а со временем рисовало бы окружности. При этом скорость вращения можно точно настраивать в широком диапазоне. В расчётах также показано, что возможны режимы с кажущейся скоростью вращения выше скорости света, однако это не нарушает теорию относительности, поскольку речь идёт не о переносе материи или информации быстрее света, а о геометрии фазового фронта волны.
Создание такого импульса стало возможным благодаря сверхточной оптике, разработанной в рамках программ National Ignition Facility и направления Photon Science. Лазерный луч сначала разделяли 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 идеально плоскими, но на микроскопическом уровне содержат спиральный рельеф. Отклонения между расчётной формой и реальной поверхностью в некоторых случаях не превышали пяти нанометров — величины порядка нескольких атомных слоёв. После отражения и точного согласования 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 сильных полей, получаемых в лабораторных условиях. Для сравнения, магнитное поле Земли составляет порядка 50 микротесла, то есть слабее на несколько миллионов раз.
Особый интерес представляет возможное применение в ускорителях частиц на основе плазмы. В традиционных схемах электроны со временем «догоняют» лазерный импульс и выходят из области ускорения, что ограничивает достижимую энергию. В случае «спиральных» плазменных волн электроны могут дольше оставаться в зоне ускорения за счёт вращательной структуры 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 гигантских ускорительных комплексах. В перспективе учёные 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 даёт инструмент для моделирования экстремальных астрофизических условий, изучения поведения вещества в сверхсильных магнитных полях и потенциального создания более компактных ускорителей частиц нового поколения.