Впервые в области экспериментальной физики был получен лазерный импульс, обладающий свойством вращения вокруг своей оси. Это приводит к образованию структуры, визуально схожей с винтовой спиралью или так называемой «световую пружиной». Исследования проводились специалистами из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, Калифорнийского университета в Ирвайне и Национального комплекса зажигания (NIF — крупнейший в мире лазерный комплекс для осуществления управляемого термоядерного синтеза).

Обычно, при взаимодействии мощного лазера с плазмой – состоянием вещества, образованным свободными электронами и ионами – частицы начинают колебаться. В рамках новой разработки импульс был создан таким образом, чтобы не только передавать энергию, но и вызывать вращательное движение, тем самым «закручивая» плазму. Этот подход открывает возможности для генерации новых видов плазменных волн, ранее не зафиксированных в экспериментах.

Суть методики заключается в контролируемом повороте луча относительно его центральной оси. Если бы этот лазер был спроецирован на экран, то точка пересечения света не оставалась бы стационарной, а описывала круговые траектории. При этом скорость вращения может быть точно отрегулирована в широком диапазоне значений. Теоретические расчеты также демонстрируют возможность достижения кажущейся скорости вращения, превышающей скорость света; однако это не противоречит теории относительности, поскольку речь идет о геометрии волнового фронта и не предполагает переноса вещества или информации со сверхсветовой скоростью.

Реализация подобного импульса стала возможной благодаря высокоточной оптике, разработанной в рамках проектов National Ignition Facility и направления Photon Science. Изначально лазерный луч делился на два потока: один содержал коротковолновое («синее») излучение, а другой – длинноволновое («красное»). После этого каждый из пучков отражался от специально изготовленных зеркал с наноструктурированной поверхностью.

Внешне эти зеркала кажутся безупречно ровными, однако при увеличении демонстрируют закрученную структуру. Разница между теоретической и фактической формой поверхности иногда не превышала пяти нанометров – сопоставимую с толщиной нескольких атомных слоёв. После отражения и синхронизации оба световых потока снова соединяются, образуя единый вибрирующий импульс, визуально схожий с двойной спиралью ДНК.

Результаты вычислительных экспериментов демонстрируют, что подобные колебания могут создавать магнитные поля, превышающие отметку в сто тесла. Этот показатель сопоставим с интенсивностью магнитных полей, достигаемых при лабораторных исследованиях. В качестве ориентира: геомагнитное поле нашей планеты составляет около пятидесяти микротесла – величина на несколько миллионов раз меньше.

Значительный интерес вызывает потенциальное использование данной технологии в плазменных ускорителях частиц. В обычных конструкциях электроны постепенно отстают от лазерного излучения и покидают зону ускорения, что ограничивает максимальную достижимую энергию. При использовании «спиральных» плазменных волн частицы могут дольше удерживаться в области воздействия благодаря вращательной структуре поля, открывая возможность достижения высоких энергетических показателей на относительно небольших расстояниях – порядка нескольких сантиметров.

Несмотря на сложность оптической системы, она реализована в компактном исполнении: экспериментальное оборудование легко размещается на столе и не требует огромных ускорительных комплексов. В будущем исследователи планируют объединить все оптические компоненты в единый модуль для упрощения масштабирования технологии.

Контролируемая пространственно-временная организация лазерного импульса открывает принципиально новый способ взаимодействия света и плазмы, предоставляя возможность воссоздания экстремальных условий, встречающихся в космосе. Это позволяет изучать поведение материи под воздействием мощных магнитных полей и разрабатывать более компактные ускорители частиц нового типа.