Физики обнаружили нечто, способное двигаться быстрее света: тьму внутри него

Фото из открытых источников

Впервые физики обнаружили, что «дыры» в свете могут двигаться быстрее, чем сам свет. Они известны как фазовые сингулярности или оптические вихри, и с 1970-х годов ученые предсказывали, что, подобно тому как водовороты в реке могут двигаться быстрее, чем текущая вода вокруг них, так и водовороты в световой волне могут обогнать свет, в который они погружены. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Это не противоречит теории относительности, которая утверждает, что ничто не может двигаться быстрее скорости света. Это потому, что вихри не несут массы, энергии или информации, и их движение основано на изменяющейся геометрии волнового рисунка, а не на каком-либо физическом движении в пространстве.

Однако запечатлеть это явление в действии было сложно, поскольку оно разворачивается в чрезвычайно малых масштабах пространства и времени. Это достижение — триумф электронной микроскопии.

«Наше открытие выявляет универсальные законы природы, общие для всех типов волн, от звуковых волн и потоков жидкости до сложных систем, таких как сверхпроводники», — говорит Идо Каминер из Техниона, Израильского технологического института. «Этот прорыв предоставляет нам мощный технологический инструмент: возможность картировать движение тонких наноразмерных явлений в материалах, выявляемых с помощью нового метода (электронной интерферометрии), который повышает резкость изображения».

Хотя для нашего глаза свет кажется однородным, в нем происходит множество процессов, которые нам трудно различить. Свет может подвергаться возмущениям, подобным тем, которые наблюдаются в других системах, где преобладает динамика потока, включая тип фазовой сингулярности, который ученые называют оптическими вихрями.

Свет может вести себя как частица и как волна; оптический вихрь образуется, когда волна закручивается во время своего распространения, подобно штопору. В самом центре этого закручивания свет взаимно уничтожается, оставляя точку нулевой интенсивности – своего рода темную «дыру» в свете.

Математически понятно, что две сингулярности в одной системе отсчета будут притягиваться друг к другу, набирая скорость по мере приближения и достигая скоростей, которые, как кажется, превышают скорость света в вакууме.

«По мере сближения сингулярностей с противоположными зарядами их траектории в пространстве-времени должны образовывать непрерывную кривую в точке аннигиляции, что приводит к их ускорению до неограниченных скоростей непосредственно перед аннигиляцией», — объясняют исследователи в своей статье.

Это явление наблюдалось и в других системах, но изучение того, как этот сценарий может развиваться в световом поле, несколько сложнее. В физических лабораториях было проведено много исследований по его изучению, но наблюдения оптических вихрей были ограничены неспособностью технологий угнаться за скоростью образования, движения и столкновений вихрей.

Для преодоления этих ограничений Каминер и его коллеги зафиксировали поведение оптических вихрей в двумерном материале, называемом гексагональным нитридом бора.

Этот материал поддерживает необычные световые волны, называемые фононными поляритонами — гибриды света и атомных колебаний, — которые движутся гораздо медленнее, чем один только свет, и могут быть плотно локализованы. Это создает сложные интерференционные картины, заполненные множеством вихрей, что позволяет исследователям детально отслеживать их движение.

Вторая, важнейшая задача заключалась в фиксации этой динамики в реальном времени. Команда использовала специализированный высокоскоростной электронный микроскоп с беспрецедентным пространственным и временным разрешением, который регистрировал события, разворачивающиеся всего за 3 квадриллионных доли секунды.

Они проводили эксперимент много раз, каждый раз записывая данные с небольшой задержкой по сравнению с предыдущим запуском. Объединив сотни полученных таким образом изображений, исследователи создали покадровую съемку вихрей, которые стремительно приближались друг к другу и уничтожали друг друга, при этом их скорости на очень короткое время достигали сверхсветовых значений.

Эксперимент проводился в двумерном контексте. Следующим шагом, по словам исследователей, станет попытка распространить их работу на более высокие измерения для наблюдения за более сложным поведением. Они также отмечают, что разработанные ими методы могут помочь преодолеть некоторые из существующих ограничений электронной микроскопии.

«Мы считаем, что эти инновационные методы микроскопии позволят изучать скрытые процессы в физике, химии и биологии, — говорит Каминер, — впервые раскрывая, как природа ведет себя в самые быстрые и неуловимые моменты».