Fizicienii au observat pentru prima dată că vortexurile optice, cunoscute și sub numele de singularități de fază, se pot deplasa mai repede decât lumina însăși. Această descoperire deschide noi perspective asupra comportamentului luminii și a modului în care principiile fizicii se aplică la cele mai mici scale.
Ce sunt vortexurile optice și singularitățile de fază
Lumina se manifestă atât ca particulă, cât și ca undă, forma ei fiind influențată de fenomene precum interferența sau difracția. În cazul vortexurilor optice, undele luminoase se răsucesc în timp ce călătoresc, creând un tirbușon de lumină. La centrul acestei răsuciri, lumina se anulează singură, formând o gaură de intensitate zero în mediu.
Matematic, aceste singularități de fază pot atrage și se pot deplasa una spre alta, accelerând până la viteze ce par să depășească limita universală a vitezei luminii. Acest fenomen nu contrazice teoria relativității, fiind explicat prin faptul că vortexurile nu transportă masă sau energie, ci doar evoluează geometric în cadrul undei.
Pentru a observa pentru prima dată aceste comportamente, echipa condusă de Ido Kaminer a folosit un material special, nitrură de bor hexagonală, care permite formarea și urmărirea unor modele complexe de interferență generate de fononi-polaritoni, hibrizi de lumină și vibrații atomice. Acest lucru a făcut posibilă urmărirea mișcării vortexurilor în detaliu, într-un mediu controlat și pe scări extrem de mici.
Depășirea limitărilor microscopiei și tehnicile utilizate
Pentru a captura aceste mișcări în timp real, cercetătorii au utilizat un microscop electronic de mare viteză, capabil să înregistreze evenimente în doar câteva femtosecunde. Astfel, au reușit să observe vortexurile în timp ce se apropiau unul de celălalt și se anihilau, vitezele lor depășind limitele cunoscute ale fizicii.
Această tehnologie inovatoare a permis identificarea și urmărirea evenimentelor extreme, anterior imposibil de observat în detaliu. Totodată, această metodă deschide drumul spre noi cercetări în domeniul proceselor rapide din fizică, chimie și biologie, fiind considerată un pas important în înțelegerea dinamicii la scară microscopică.
După cum a spus Kaminer, „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 prezent, rezultatele sunt publicate în revista internațională Nature, confirmând valoarea științifică a cercetării.
Implicații și următorii pași în explorarea vortexurilor optice
Descoperirea mișcării mai rapide decât viteza luminii a vortexurilor optice nu contrazice legile fundamentale ale fizicii, ci mai degrabă le completează. În plus, această observație oferă o nouă perspectivă asupra comportamentului luminii și a proceselor energetice și informaționale la scară microscopică.
Cercetătorii intenționează să extindă studiul în dimensiuni superioare, pentru a observa comportamente mai complexe ale vortexurilor, precum și să dezvolte tehnologii avansate de microscopie ce pot captura astfel de fenomene mai largi și în condiții variate. Aceste avansuri ar putea avea aplicații în domenii precum optica avansată, telemetria cuantică sau chiar în dezvoltarea de noi materiale.
Un aspect notabil, conform declarației lui Kaminer, este faptul că tehnicile utilizate „pot ajuta la depășirea limitărilor actuale ale microscopiei electronice”, deschizând o cale către descoperiri în știință, chimie și biologie.
Evenimentul principal din acest domeniu va avea loc în luna septembrie 2023, când cercetătorii de la Technion vor prezenta în cadrul unui congres internațional rezultatele complete ale studiului.
