Fizicienii au descoperit ceva care se poate mișca mai repede decât lumina: „întunericul” din interiorul ei

Pentru prima dată, fizicienii au observat că „golurile” din lumină se pot deplasa mai repede decât lumina însăși. Acestea sunt cunoscute sub numele de singularități de fază sau vortexuri optice, iar încă din anii 1970 oamenii de știință au prezis că, la fel cum vârtejurile dintr-un râu se pot mișca mai repede decât apa care curge în jurul lor, tot așa și „vârtejurile” dintr-o undă de lumină pot depăși viteza luminii în care sunt integrate, scrie Science Alert.

Acest lucru nu încalcă teoria relativității, care afirmă că nimic nu poate călători mai repede decât viteza luminii. Asta deoarece vortexurile nu transportă masă, energie sau informație, iar mișcarea lor este determinată de geometria în schimbare a modelului undei, nu de o deplasare fizică prin spațiu.

Totuși, observarea directă a acestui fenomen a fost dificilă, deoarece are loc la scări extrem de mici de spațiu și timp. Realizarea reprezintă un succes major al microscopiei electronice.

„Descoperirea noastră dezvăluie legi universale ale naturii, comune tuturor tipurilor de unde, de la undele sonore și fluxurile de fluide până la sisteme complexe precum  superconductoarele”, spune fizicianul Ido Kaminer de la Technion – Institutul Tehnologic din Israel.

„Acest progres ne oferă un instrument tehnologic puternic: capacitatea de a cartografia mișcarea fenomenelor delicate la scară nanometrică în materiale, printr-o metodă nouă (interferometria electronică) care îmbunătățește claritatea imaginilor.”

Deși pentru ochiul uman lumina pare uniformă, în realitate este mult mai complexă. Ea poate prezenta perturbații similare celor din alte sisteme dominate de dinamica fluxurilor, inclusiv un tip de singularitate de fază numită vortex optic.

Lumina se comportă atât ca particulă, cât și ca undă; un vortex optic se formează atunci când unda se răsucește în timpul propagării, asemenea unui tirbușon. În centrul acestei răsuciri, lumina se anulează, lăsând un punct de intensitate zero – un fel de „gaură” întunecată în lumină.

Din punct de vedere matematic, se știe că două singularități într-un sistem de referință se atrag, accelerând pe măsură ce se apropie, atingând viteze care par să depășească viteza luminii în vid.

„Pe măsură ce singularitățile cu sarcini opuse se apropie, traiectoriile lor în spațiu-timp trebuie să formeze o curbă continuă în punctul de anihilare, ceea ce le forțează să accelereze spre viteze nelimitate chiar înainte de dispariție”, explică cercetătorii în lucrarea lor.

Fenomenul a fost observat și în alte sisteme, dar studierea lui în cazul luminii este mai dificilă. Tehnologia nu a putut ține pasul cu viteza cu care aceste vortexuri se formează, se mișcă și se ciocnesc.

Pentru a depăși aceste limite, Kaminer și colegii săi au studiat comportamentul vortexurilor optice într-un material bidimensional numit nitrură de bor hexagonală.

Acest material susține unde speciale numite polaritoni fononici – combinații între lumină și vibrațiile atomice – care se deplasează mult mai lent decât lumina și pot fi confinate foarte precis. Astfel se creează modele complexe de interferență pline de vortexuri, permițând urmărirea lor detaliată.

Al doilea element crucial a fost captarea acestor procese în timp real. Echipa a folosit un microscop electronic de mare viteză, cu o rezoluție spațială și temporală fără precedent, capabil să înregistreze evenimente ce durează doar 3 cuadrilionimi de secundă.

Experimentul a fost repetat de multe ori, fiecare înregistrare fiind realizată cu un mic decalaj față de precedenta. Prin combinarea sutelor de imagini obținute, cercetătorii au creat un timelapse în care vortexurile se deplasează și se anihilează, atingând pentru scurt timp viteze superluminice.

Experimentul a fost realizat într-un cadru bidimensional. Următorul pas este extinderea studiului în dimensiuni mai mari pentru a observa comportamente mai complexe.

Cercetătorii consideră că tehnicile dezvoltate ar putea ajuta la depășirea unor limitări actuale ale microscopiei electronice.

„Credem că aceste tehnici inovatoare vor permite studierea unor procese ascunse din fizică, chimie și biologie”, spune Kaminer, „dezvăluind pentru prima dată cum se comportă natura în cele mai rapide și mai greu de observat momente”.

Cercetarea a fost publicată în revista Nature.