Плазма жалит по кривой

Физики изогнули плазменные шнуры за «световыми пулями»

Физики научились стрелять лазерными пулями за угол и загибать шнуры плазмы, которые вытягиваются за светом. Открытие может пригодиться для управления погодой и в борьбе с терроризмом, хотя авторам работы оно нужно в первую очередь для исследования самих плазменных филаментов.

В конце 2007 года двум физикам из Университета Центральной Флориды удалось, казалось бы, невозможное — заставить луч света двигаться по кривой в совершенно однородном пространстве. Деметрий Христодулидес и Аристид Догариу на практике реализовали так называемый пучок Эйри, бывший прежде лишь теоретическим курьёзом.

Получилось что-то вроде фонаря, которым можно светить за угол.

Или пушки, положенной на бок. Если верить известному анекдоту, из неё за угол можно выстрелить. Такое сравнение даже точнее, поскольку пучок Эйри, как и летящий снаряд, выписывает в воздухе параболу, только вершина параболы у света не в середине траектории, а в начале.

Учёные из Флориды с самого начала предсказывали, что такое необычное поведение светового пучка может пригодиться в самых разных областях науки. И действительно, не прошло и года, как шотландский профессор Кишан Дхолакия и его коллеги создали «световую метлу», успешно выметавшую с вверенного ей участка жидкости весь микроскопический мусор. В эксперименте в качестве мусора выступали крохотные стеклянные шарики, но уже тогда учёные обещали, что скоро примутся за перемещение клеток и сортировку мелких частиц. Наверняка за полгода им чего-нибудь да удалось достигнуть.

Применения пучков Эйри в «народном хозяйстве» мы пока не дождались. Но они стали гораздо ближе к реализации благодаря работе физиков из Университета американского штата Аризона, опубликованной в последнем номере Science.

Учёные под руководством Павла Полынкина создали «световые пули», летящие по загнутым траекториям, и искривлённые «плазменные шнуры».

Последним прочат большое будущее в дистанционных исследованиях атмосферы, управлении погодными явлениями и даже борьбе с терроризмом.

Стоит сразу оговориться, впрочем, что пока никто не собирается стрелять плазмой в спрятавшегося за углом террориста. Вряд ли получится и поливать врагов пулями, летящими по кривой, в духе бекмамбетовского фильма «Особо опасен». Добиться существенного в макроскопических масштабах отклонения от прямой линии проблематично: к тому моменту, как пучок начинает сильно отклоняться в сторону, его интенсивность уже заметно падает.

Характерное смещение «световой пули» может быть лишь немногим больше ширины пучка, в пределах которого фазу световой волны можно контролировать с оптической точностью. На современном уровне развития технологий речь идёт максимум о нескольких метрах, а в установке авторов статьи в Science плазменный шнур изгибался не больше чем на сантиметр при длине чуть меньше метра. За угол не за угол, но небольшое препятствие обогнёт.

По словам Полынкина, для него и его коллег искривление филаментов — лишь новый метод изучения самих плазменных образований, которыми выпускник московского Физтеха занимается в США уже более 10 лет. В распоряжении учёного есть мощный лазер, способный по 10 раз в секунду выстреливать световые импульсы продолжительностью в ничтожные 35 фемтосекунд (примерно 1/30-триллионная секунды). Если бы можно было остановить время, эти «световые пули» были бы похожи на «стопку блинов» шириной в 1,5 см и толщиной всего 10 микрон, следующих друг за другом на расстоянии в 30 тысяч километров.

В каждый импульс при этом вкладывается вполне макроскопическая энергия в 35 миллиджоулей, так что мгновенная мощность лазера оказывается равной чудовищному значению в 1 тераватт. Несколько десятков таких лазеров с лёгкостью «съели» бы всю электроэнергию, генерируемую в мире, если бы работали не в импульсном, а в постоянном режиме (средняя световая энергия лазера, впрочем, куда меньше — порядка 1 Вт). Ну а плотности световой энергии в «блине» вполне хватает, чтобы превратить воздух, в котором он движется, в плазму, вытягивающуюся вдоль траектории пучка. Это и есть плазменный филамент.

Плазменные филаменты

были впервые созданы совсем недавно, в середине 1990-х годов. Известно, что в воздухе – да, по сути, в любой неидеальной физической среде – достаточно мощный лазерный луч начинает сам по себе сжиматься во всё более тонкий пучок света. Это явление, самофокусировку, предсказал советский физик Гурген Аскарьян ещё в начале 1960-х годов, и уже очень скоро оно было обнаружено на практике.

Однако лишь в конце прошлого века появились достаточно мощные импульсные лазеры, свет которых может сфокусироваться до таких плотностей энергии, чтобы ионизовать воздух, превратив его в плазму. Образующаяся вдоль траектории светового импульса плазма дефокусирует пучок, и в итоге устанавливается некоторый динамический баланс между самофокусировкой и плазменной дефокусировкой. Сама же плазма живёт существенно дольше, чем создавший её импульс, и вытягивается вдоль его траектории в «плазменный шнур», или «плазменный филамент».

Исследовать поведение плазмы здесь очень сложно, поскольку непосредственно в филамент никакой прибор не поставишь — слишком неподходящие в нём условия работы для электронной техники. Достаточно много информации можно получить, анализируя вторичное излучение, которое плазма высвечивает в узком конусе, охватывающем лазерный луч наподобие воротника. Однако эти конусы от разных участков длинного плазменного филамента спутываются на разных длинах волн, и разобрать, какой свет пришёл от начала шнура, а какой от конца, практические невозможно.

И вот здесь может очень помочь искривление шнура: каждый участок филамента будет высвечивать свой конус, которые превосходно разделяются на экране.

Как признался Павел Полынкин в разговоре с «Газетой.Ru», он почти случайно натолкнулся на работу Христодулидеса, услышав его доклад на одной из конференций. До этого учёные экспериментировали с прямыми пучками Бесселя, которые тоже почти не расходятся при движении, а потому позволяют генерировать очень длинные плазменные шнуры. Взяв в команду учёных из Флориды, Полынкин и его коллеги смогли согнуть филаменты.

Учёные пропустили пучок лазера через специальную пластинку, придающую изначально плоской электромагнитной волне фазовый профиль кубической параболы. Дальше на пути света учёные поставили обычную линзу, и в её фокальной плоскости лазерный «блин» превратился в пучок Эйри. Внешне он напоминает «птичку» с распростёртыми под прямым углом крыльями, собранную из множества отдельных «волокон». В главном волокне, которое расположено в «голове птички», сосредоточена основная энергия всего пучка (около 30%).

Пучки Эйри

были предсказаны ещё в 1979 году, когда британец Майкл Берри и американец венгерского происхождения Нандор Балас нашли необычное решение уравнения Шрёдингера, описывающего поведение частиц в квантовой механике. Они заметили, что если изначальное состояние частицы задано так называемой функцией Эйри, то со временем плотность вероятности обнаружить частицу в заданной точке качественно не меняется, лишь сползая в сторону с меняющейся скоростью – притом, что на неё никакие силы не действуют.

Собственно, ещё раньше такое поведение описали двое математиков – новозеландец Эрнест Калнинс и американец Уиллард Миллер, однако их интересовало лишь решение уравнения, а Берри и Балас наполнили его физическим смыслом, заговорив о «самоускоряющихся частицах». Поскольку распространение света описывают идентичным с точки зрения математики уравнением, несложно было догадаться, что у «частицы Эйри» есть оптический напарник – «пучок Эйри». И там, где «частица Эйри» перемещается с меняющейся скоростью, «пучок Эйри» движется по кривой.

В 2007 году физики Деметрий Христодулидес и Аристид Догариу из Университета Центральной Флориды сначала теоретически обосновали оптимальное приближение к идеальному пучку Эйри (идеальный пучок обладает бесконечной энергией), а затем и реализовали его на практике. Вместе с коллегами они направили луч лазера на массив из полумиллиона крохотных жидкокристаллических пикселов, коэффициенты отражения и преломления которых были настроены таким образом, чтобы на выходе получился приближённый пучок Эйри. Результаты показали, что ведёт он себя точно так, как предсказывает теория.

Британский астроном XIX века Джордж Эйри к «самоускоряющимся» частицам и пучкам отношения не имеет. Эйри нашёл функцию, которая ныне носит его имя, исследуя форму изображения бесконечно далёкой звезды в фокальной плоскости идеального телескопа.

Cвет — это, по сути, самоподдерживающиеся колебания непрерывно превращающихся друг в друга электрического и магнитного полей. И фазы волны в пучке Эйри подобраны таким образом, что эти превращения качественно сохраняют вид пучка постоянным при движении вперёд, но при этом сами отдельные волокна — и «птичка» в целом — постоянно смещаются в сторону.

На деле такое смещение — это некоторый обман, поскольку центр тяжести всего пучка всё-таки движется по прямой линии. Однако для генерации плазмы важен не центр тяжести, а максимум интенсивности, а значит, образуются филаменты как раз там, где проходят отдельные световые волокна. И, соответственно, прослеживают изгиб их траектории.

Результат Полынкина и его коллег — это не только очередная демонстрация изящного физического эффекта и новый метод исследования плазменных шнуров.

Учёный с ходу смог назвать сразу несколько потенциальных приложений открытия.

Во-первых, лазерные филаменты на пучках Эйри могут пригодиться для управления молниями и изучения атмосферы. Год назад Жером Каспарян и его коллеги сообщили о том, как научились вызывать молнии в облаках с помощью плазменных филаментов. Не исключено, что в будущем можно будет заранее разряжать грозовые тучи рядом с аэропортами, «стреляя» в небо лазером.

У филаментов на базе пучков Эйри здесь есть очень важное преимущество. Эти пучки «самовосстанавливающиеся»: когда какая-то неоднородность в облаке или турбулентный участок воздуха перекрывает часть пучка, энергия из остальных волокон перераспределяется в него, восстанавливая потерянное волокно. А потому главный филамент окажется там же, где и должен быть, несмотря на частичное перекрытие — пусть с чуть меньшей энергией. Ровно по той же причине эти филаменты могут оказаться полезны и для изучения атмосферы: вторичное излучение плазмы может подсветить нужный участок атмосферы, позволяя учёным измерить её параметры там, где им нужно.

Примерно таким же образом предполагается бороться и с терроризмом, удалённо обследуя подозрительные сумки и авто на предмет наличия в них взрывчатки. Дескать, излучение плазменного филамента нагреет и подсветит подозрительный объект, а нам останется только искать следы взрывчатых веществ в спектре рассеянного испарениями света.

Впрочем, до реальных применений ещё очень далеко, считает Павел Полынкин.

Надёжно контролировать место образования и физические параметры филамента учёные пока не в состоянии. А соединять грозовое облако с экспериментальной установкой непрерывным каналом ионизованного воздуха не хотелось бы: по этому каналу разряд с удовольствием сбежит на землю, ударив прямо в лазер и в исследователя. Учёным сейчас хотелось бы лучше понять саму физику плазменных филаментов. Их искривление очень поможет в таких исследованиях.