Fizicienii au realizat pentru prima dată observația unui fenomen despre care doar teoretic s-a discutat până acum: găurile din lumină, cunoscute și sub termenul de singularități de fază sau vortexuri optice, pot să se deplaseze mai rapid decât lumina însăși

De la teorie la observație: vortexurile optice în acțiune

Încă din anii ’70, fizicienii au prezis că vortexurile dintr-o undă de lumină, asemănătoare vârtejurilor din râuri, pot mișca mai rapid decât lumina în care sunt încapsulate. Până acum, această ipoteză a fost greu de verificat, din cauza scărilor extrem de mici și a vitezei fenomenelor implicate. Recent, însă, echipa condusă de Ido Kaminer de la Institutul de Tehnologie Technion din Israel a demonstrat această posibilitate în mod concret, folosind tehnologii avansate.

Cercetătorii au folosit un material bidimensional, nitrură de bor hexagonală, ce susține unde de lumină neobișnuite, numite fononi-polaritoni. Acestea sunt niște hibrizi de lumină și vibrații atomice, care se deplasează mult mai lent decât lumina în sine, fiind ideal pentru a urmări și măsura comportamentul vortexurilor. Prin crearea acestor condiții, oamenii de știință au urmărit cu precizie mișcarea vortexurilor și comportamentul lor în timp real.

Tehnologia avansată a microscopiei electronice

Pentru a surprinde această dinamică rafinată, cercetătorii au folosit un microscop electronic de mare viteză, capabil să înregistreze evenimente ce se petrec în doar trei cvadrilioane de secundă. Această tehnică i-a ajutat să observe vortexurile în apropierea și, în cele din urmă, în mișcare unul spre celălalt, fenomen unde vitezele lor au trecut peste viteza luminii.

Mișcarea vortexurilor în cercetare a fost comparată cu atracția între două singularități dintr-un cadru de referință, acestea fiind accelerate de pe pozițiile lor și atingând rapid viteze ce par să depășească limitele stabilite de fizică. Înregistrările dinamice au arătat clar faptul că vortexurile pot să se deplaseze peste viteza luminii, fără ca acest lucru să încalce principiile fundamentale ale teoriei relativității, deoarece vortexurile nu transportă masă sau informație, ci doar modele geometrice ale undei de lumină.

„Descoperirea dezvăluie legi universale ale naturii împărtășite de toate tipurile de unde, de la undele sonore și fluxurile de fluide până la sisteme complexe precum supraconductorii,” a declarat Ido Kaminer.

Implicații și next steps în cercetarea vortexurilor optice

Conform specialiștilor, tehnicile utilizate deschid calea pentru explorarea proceselor din domenii variate precum chimia, biologia și fizica fundamentală. Studiile actuale nu doar că demonstrează că vortexurile pot migra mai repede decât viteza luminii, ci și pot ajuta la înțelegerea unora dintre cele mai rapide și evazive fenomene din natură.

Unul dintre cele mai complicate aspecte a fost capturarea evenimentelor în timp real, o provocare depășită prin utilizarea microscopiei electronice avansate. În plus, rezultatele obținute oferă posibilitatea de a extinde cercetările în sistemele tridimensionale, explorând comportamente din ce în ce mai complexe ale vortexurilor optice și, implicit, limitele comportamentului undelor luminoase.

Kaminer afirma: „Credem că aceste tehnici inovatoare de microscopie vor permite studiul proceselor ascunse din fizică, chimie și biologie, dezvăluind pentru prima dată modul în care natura se comportă în cele mai rapide și evazive momente ale sale”. În ceea ce privește aplicabilitatea practică, cercetarea a fost realizată pe baza unor fenomene de laborator, însă impactul în tehnologie și știința fundamentală poate fi semnificativ în următorii ani. Evenimentul a fost publicat pe 12 ianuarie 2023, în revista Nature, marcând un pas important în înțelegerea comportamentului undelor de lumină.

Sursa: Descopera