Fizicienii au reușit pentru prima dată să observe un fenomen care părea imposibil până acum: găurile din lumină, cunoscute drept singularități de fază sau vortexuri optice, se pot deplasa mai repede decât lumina însăși. Studiul, publicat în revista Nature, deschide uși noi în înțelegerea comportamentului undelor și a limitelor vitezei de propagare, fără a încălca teoria relativității.
Dezvăluirea vortexurilor optice în acțiune
Din anii ’70, specialiștii au prezis existența vortexurilor optice. Acestea sunt formațiuni în care unda de lumină se răsucește în timp ce călătorește, asemănându-se cu un tirbușon. În centrul acelei răsuciri, lumina se anulează, creând o zonă întunecată, o gaură de lumină. Până acum, însă, observarea directe a deplasării lor rapide nu fusese posibilă.
Cercetătorii au folosit un material avansat, nitrură de bor hexagonală, pentru a genera aceste vortexuri. Acest material permite undelor de lumină, mai precise fononi-polaritoni, să se miște mai lent decât lumina în sine. Astfel, au reușit să creeze condițiile perfecte pentru studierea mișcării vortexurilor.
„Această metodă ne oferă o oportunitate unică de a urmări evenimente care, anterior, erau inaccesibile observației directe”, afirmă Ido Kaminer, fizician la Institutul de Tehnologie Technion din Israel. El adaugă că modelul utilizat permite simularea și investigarea comportamentului vârtejurilor optice în condiții controlate.
Depășirea limitelor microscopiei electronice
Pentru a surprinde această dinamică extrem de rapidă, echipa de cercetare a utilizat un microscop electronic de mare viteză, capabil să înregistreze evenimente în doar trei cvadrilioane de secundă. Rezoluția spațială și temporală a acestui instrument a făcut posibilă observarea directă a vortexurilor în mișcare, inclusiv fenomenul de anihilare în timpul căruia vitezele depășesc limita luminii.
Cercetătorii au urmărit comportamentul vortexurilor în timp real, chiar în condiții de observare la scară nanometrică. Mișcarea acestor vortexuri s-a dovedit a fi mai rapidă decât viteza luminii, însă această situație nu contravine principiilor teoriei relativității. Mișcarea vortexurilor se bazează pe geometria undei, nu pe transportul de masă, energie sau informație.
„Credem că aceste tehnici inovatoare de microscopie vor permite studiul proceselor ascunse din fizică, chimie și biologie”, explică Kaminer. Dacă până acum această temă a fost considerată imposibil de investigat, noile descoperiri deschid perspective pentru cercetări în domenii variate.
Ce reprezintă de fapt o gaură de lumină?
Vortexul optic poate fi comparat cu un tirbușon în unda de lumină: în centrul său, lumina se anulează, formând o zonă de intensitate zero. Matematic, singularitățile dintr-un anumit cadru de referință se atrag și pot atinge viteze care, aparent, depășesc viteza luminii în vid, fără ca acest lucru să contravină legilor fizicii.
Este important de precizat că vortexurile nu transportă masă, energie sau informație mai rapid decât lumina. Mișcarea lor se datorează geometriei undei, nu unei deplasări fizice în spațiu. Astfel, fenomenul rămâne în limitele teoremei relativității, care stipulează că nimic nu poate călători mai repede decât viteza luminii în vid.
Descoperirea a fost realizată utilizând tehnologii avansate de optică și microscopy, ceea ce a permis observarea acestui fenomen subtil și extrem de rapid, în condiții innate de complexitate. Cercetarea în continuare urmărește extinderea experiențelor în dimensiuni superioare, pentru a înțelege comportamente mai complexe ale vortexurilor optice.
Pentru data de 27 aprilie 2023, anunțul oficial al publicării studiului de către echipa condusă de Ido Kaminer va fi disponibil în revista Nature, confirmând astfel avansul în domeniul fizicii undelor.
