Наука нарешті знайшла дещо швидше за світло

Що обігнало світло?

Дослідницька група з Ізраїльського технологічного інституту Техніон опублікувала результати своєї роботи, яка стала безпрецедентним досягненням у галузі електронної мікроскопії. Вченим вдалося вперше безпосередньо виміряти так звані "темні точки" всередині світлових хвиль. Це дозволило підтвердити теоретичне передбачення, висунуте ще у 1970-х роках, згідно з яким швидкість цих об'єктів може перевищувати швидкість світла, пише Phys.org.

Ці загадкові темні точки за своєю суттю є крихітними отворами у структурі хвилі, які науковці називають вихорами. Фактично це просто порожній простір без світла. Подібні явища часто зустрічаються в природі: їх можна побачити в океанських хвилях, повітряних потоках або навіть у чашці кави під час перемішування напою.

Хоча це звучить незвично – наче вир у річці раптово починає обганяти течію води, у якій він виник – цей ефект є цілком реальним. Досі це твердження базувалося виключно на математичних розрахунках, але тепер команда дослідників надала експериментальне підтвердження.

Чому так відбувається й чи порушує це закони фізики?

Виникає закономірне питання: як таке можливо, якщо Альберт Ейнштейн встановив швидкість світла у вакуумі як абсолютну межу Всесвіту? Відповідь криється в самій природі вихорів. Теорія відносності накладає обмеження лише на фізичну матерію, що має масу, а також на сигнали, які передають енергію чи інформацію.

Світлові вихори, виявлені в Техніоні, не мають маси, не переносять енергію та не слугують каналом для передачі даних. Отже, їхній надшвидкий рух не порушує фундаментальних принципів фізики. Фактично ці об'єкти є "нульовими точками" або вузлами світлових хвиль, де амплітуда падає до нуля, утворюючи зони повної темряви всередині світлового поля, зазначає колектив авторів у журналі Nature.

Як вдалося про це дізнатися?

Для проведення експерименту команда розробила унікальну систему в Центрі електронної мікроскопії Техніону. Вони поєднали лазерні установки з передовим опто-механічним обладнанням у спеціалізованому електронному мікроскопі, що дозволило досягти рекордної часової та просторової роздільної здатності.

Самі вимірювання проводилися у гексагональному нітриді бору – матеріалі, підготовленому професором Хананом Херцігом Шейнфуксом з Університету Бар-Ілан. У цьому матеріалі світлові хвилі трансформуються в особливі "світлозвукові" стани, відомі як поляритони. Вони рухаються приблизно у 100 разів повільніше, ніж світло у вакуумі. Саме всередині таких уповільнених хвиль світлові вихори можуть здійснювати стрибки, випереджаючи швидкість світла.

Професор Ідо Камінер зазначив, що це відкриття висвітлює універсальні закони природи, спільні для всіх типів хвиль – від звуку та рідин до складних надпровідних систем. Нова методика, заснована на електронній інтерферометрії, значно покращує чіткість зображень і стає потужним інструментом для вивчення нанорозмірних явищ у матеріалах.

Подальші перспективи

Дослідники переконані, що ці інноваційні методи мікроскопії дозволять зазирнути у приховані процеси у фізиці, хімії та біології, вперше демонструючи поведінку природи в її найбільш невловимі моменти.

Спостереження за стрімким рухом світлових вихорів відкриває шлях до нових технологій кодування квантової інформації, розвитку оптики на основі наноструктур та глибшого дослідження надпровідності.