«Темные точки» — это крошечные «дыры» в структуре световой волны, где амплитуда падает до нуля. В физике их называют вихрями. По сути, это маленькие участки полной темноты, встроенные в световое поле. Такие вихри — не редкость в природе: аналогичные структуры встречаются в океанских волнах, воздушных потоках, а также в повседневной жизни, например, когда мы размешиваем кофе или вода течет по раковине, образуя мини-вихри.
Еще в 1970-х годах физики предсказали удивительный эффект: эти вихри могут двигаться быстрее волны, в которой они существуют. Представьте себе водоворот в реке, который опережает течение воды вокруг него — аналогично ведут себя «темные точки» в световой волне. Несмотря на кажущуюся парадоксальность, это не противоречит теории Эйнштейна: скорость света в вакууме ограничивает материальные объекты и перенос энергии или информации. Вихри же безмассовы и энергию не передают.
Экспериментальная установка
Исследователи из Техниона (Израильский технологический институт) сообщили в журнале Nature о достижении, ставшем возможным благодаря уникальной микроскопической системе Центра электронной микроскопии института. Они интегрировали лазерную систему с оптомеханическим модулем и электронным микроскопом, обеспечив рекордное пространственное и временное разрешение — достаточное, чтобы наблюдать движения световых вихрей на масштабах нанометров и наносекунд.
Для эксперимента использовался материал hBN, подготовленный профессором Ханан Херциг Шейнфукс из Университета Бар-Илан. В нем световые волны превращаются в поляритоны — гибрид света и акустических колебаний, который движется примерно в 100 раз медленнее скорости света. Эти «замедленные» волны создают условия, в которых вихри могут «обгонять» сам свет.
Ученые наблюдали не только прямое движение вихрей, но и их сложное взаимодействие между собой. Вихри могут сталкиваться, менять направление и даже временно объединяться, создавая мини-структуры внутри волны.
Прорыв в понимании волн и микромира
По словам профессора Каминера:
«Это открытие выявляет универсальные законы природы, общие для всех типов волн, от звуковых колебаний и потоков жидкости до сложных систем вроде сверхпроводников».
Метод электронной интерферометрии, разработанный командой, позволяет впервые наблюдать мельчайшие процессы в материалах в реальном времени. Это открывает окно в мир скрытых динамик на наномасштабе, недоступных ранее ни одному инструменту.
«Эти методы помогут изучать самые быстрые и сложные процессы в физике, химии и биологии. Мы сможем увидеть, как природа ведет себя в самые неуловимые моменты своей жизни», — добавляет он
Экспериментальная установка позволяет изучать вихри в различных материалах, включая потенциальные квантовые системы, и оценивать их влияние на оптические свойства, проводимость и взаимодействие с микроскопическими объектами.
Прямое измерение «темных точек» открывает перспективы для науки и техники, ускоряя развитие наноструктурной оптики, создание сверхточных сенсоров, исследование сверхпроводников и квантовых материалов, а также разработку систем квантовой коммуникации.
Физики создали временной кристалл, нарушающий третий закон Ньютона
Физикам удалось управлять одиночными фотонами в алмазах для квантового интернета
Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX