Идея о том, что такие вихри могут превышать скорость света, впервые была выдвинута в 1970-х годах.
Группа исследователей из Техниона (Израильского технологического института) совершила крупный прорыв в области электронной микроскопии. Они впервые получили прямые экспериментальные доказательства существования так называемых «темных точек» внутри световых волн.
Результаты их исследований, опубликованные в журнале Nature, подтверждают теоретическое предсказание, сделанное несколько десятилетий назад, о том, что эти точки — также известные как оптические вихри — могут двигаться быстрее скорости света при определенных условиях.
Впервые предложено в 1970-х годах
Исследование проводилось под руководством профессора Идо Каминера совместно с междисциплинарной группой ученых и международными коллегами из таких учреждений, как Массачусетский технологический институт, Гарвард и Стэнфорд.
В основе открытия лежат крошечные области внутри световой волны, где интенсивность падает до нуля. Эти области, называемые вихрями или «нулевыми точками», ведут себя как отверстия, встроенные в структуру волны. Подобные вихревые структуры можно наблюдать в повседневных явлениях, таких как завихрения воды или воздушные потоки, но их существование в световых волнах — и их необычное движение — давно интриговало физиков.
Идея о том, что такие вихри могут превышать скорость света, впервые была предложена в 1970-х годах, хотя до настоящего времени она оставалась экспериментально недоказанной. На первый взгляд, это противоречит теории относительности, которая устанавливает скорость света как предельную космическую скорость.
Однако исследователи уточняют, что этот принцип применим только к объектам, обладающим массой, и к сигналам, несущим энергию или информацию. Наблюдаемые в этом исследовании вихри не подчиняются ни одному из этих принципов; они представляют собой просто точки нулевой интенсивности внутри волны, а это значит, что их сверхсветовое движение не нарушает фундаментальных физических законов.
Высокотехнологичная экспериментальная установка
Для наблюдения этого явления команда разработала высокотехнологичную экспериментальную установку в центре электронной микроскопии Техниона. Объединив лазерную систему со специализированным электронным микроскопом и точным оптико-механическим устройством, они достигли беспрецедентного уровня пространственного и временного разрешения. Это позволило им с удивительной точностью отслеживать быстрое движение этих темных точек.
Эксперименты проводились с использованием материала, известного как гексагональный нитрид бора (hBN), в котором свет ведет себя необычным образом. В этой среде свет образует гибридные возбуждения, называемые поляритонами — часто описываемые как «светозвуковые» волны, — которые распространяются значительно медленнее, чем свет в вакууме. Этот замедляющий эффект создает условия, при которых вихри могут казаться движущимися быстрее самого света, фактически «перескакивая» через волну.
Помимо подтверждения давнего теоретического предсказания, это открытие имеет далеко идущие последствия. Оно раскрывает основополагающие принципы, которые широко применяются в различных типах волновых систем, от гидродинамики до квантовых материалов. Что еще важнее, оно представляет собой мощный новый метод изучения сверхбыстрых и наноразмерных явлений. Отслеживая эти вихри, ученые получают новый способ картирования процессов, которые ранее были слишком быстрыми или слишком тонкими, чтобы наблюдать их непосредственно.
Этот прорыв может повлиять на широкий спектр областей, включая передовую микроскопию, нанофотонику, сверхпроводимость и квантовую информатику. Позволяя исследователям визуализировать и анализировать самые мимолетные взаимодействия в природе, эта работа открывает двери для более глубокого понимания того, как ведут себя сложные физические системы на самых малых и быстрых масштабах.