Fizikai pirmą kartą tiesiogiai užfiksavo reiškinį, kuris skamba provokuojančiai: šviesoje susiformuojančios „tamsos skylės“ gali judėti greičiau nei pati šviesa. Kalbama ne apie daleles ar energijos srautą, o apie vadinamąsias fazės singuliarijas, dar vadinamas optiniais sūkuriais.
Mokslininkai pabrėžia, kad tai neprieštarauja reliatyvumo teorijai, kuri teigia, jog jokie masę turintys objektai, energija ar informacija negali judėti greičiau už šviesą vakuume. Šiuo atveju „greitis“ atsiranda dėl to, kaip kinta bangos raštas ir jo geometrija, o ne dėl fizinio signalo sklidimo.
Kas yra optinis sūkurys?
Šviesa gali būti aprašoma kaip banga, o tam tikromis sąlygomis jos bangos frontas gali „susisukti“ tarsi kamščiatraukis. Tokio susisukimo centre intensyvumas išnyksta, nes banga ten tarsi pati save panaikina, ir lieka nulinio ryškumo taškas.
Būtent tas nulinio intensyvumo taškas ir vadinamas fazės singuliarija. Analogiškas vaizdinys dažnai lyginamas su sūkuriu upėje: pats sūkurys nėra atskira medžiaga, tačiau jo padėtis ir struktūra gali judėti kitaip nei vanduo aplink.
Teoriškai tokio tipo singuliarijų elgsena fizikoje aptarinėjama jau nuo 1970-ųjų: prognozuota, kad dvi priešingo „krūvio“ singuliarijos, artėdamos viena prie kitos, gali įgauti labai didelį regimąjį greitį. Tačiau tiesiogiai stebėti tai realiame eksperimente ilgą laiką trukdė itin maži laiko ir erdvės masteliai.
Kaip pavyko tai pamatyti?
Tyrėjų komanda optinių sūkurių dinamiką fiksavo ne laisvai sklindančioje šviesoje, o medžiagoje, kuri leidžia suformuoti sudėtingus interferencijos raštus. Eksperimente naudota dvimatė medžiaga heksagoninis boro nitridas, kuriame gali sklisti fononų poliaritonai, mišrios prigimties bangos, susietos su šviesa ir kristalo gardelės virpesiais.
Šios bangos juda gerokai lėčiau nei šviesa vakuume ir gali būti stipriai „suspaustos“ erdvėje, todėl jose lengviau sukurti tankų sūkurių tinklą ir sekti jo pokyčius. Vis dėlto svarbiausia buvo ne vien terpė, bet ir matavimo metodas.
Komanda pasitelkė didelės spartos elektroninę mikroskopiją ir elektronų interferometriją, kuri leido pasiekti išskirtinę erdvinę ir laikinę skyrą. Procesai buvo fiksuojami itin trumpais intervalais, siekiančiais kelias kvadrilijonines sekundės dalis, o daugybė pakartotinių paleidimų leido sukonstruoti dinaminį vaizdą iš šimtų kadrų.
„Mūsų atradimas atskleidžia universalius gamtos dėsnius, bendrus visų tipų bangoms: nuo garso ir skysčių srautų iki sudėtingų sistemų, tokių kaip superlaidininkai“, – sakė fizikas Ido Kaminer.
Tyrimo metu buvo matyti, kaip sūkuriai artėja, susiduria ir „anihiliuoja“, o jų padėties kitimas trumpam pasiekia superšviesinius, tai yra greitesnius už šviesą, regimuosius greičius. Esminė detalė ta, kad tai neperneša nei energijos, nei informacijos, todėl pagrindinė reliatyvumo riba nėra pažeidžiama.
Kodėl tai svarbu praktikoje?
Tyrėjai teigia, kad nauji metodai gali tapti įrankiu, leidžiančiu tiksliau žemėlapiuoti itin greitus ir subtilius nanoskalės reiškinius medžiagose. Tokie procesai svarbūs kuriant naujas optoelektronikos, nanofotonikos ir pažangios mikroskopijos technologijas, kuriose lemia ne vien „kas yra“, bet ir „kaip greitai bei kaip tiksliai kinta“.
Taip pat akcentuojama, kad dabar pademonstruotas stebėjimas vyko dvimatėje sistemoje, o kitas žingsnis būtų išplėsti eksperimentus į sudėtingesnes geometrijas. Didesni matmenys galėtų atverti dar įvairesnį singuliarijų elgesį ir padėti geriau suprasti banginių reiškinių „paslėptą dinamiką“ skirtingose fizikos srityse.
„Manome, kad šios naujoviškos mikroskopijos technikos leis tirti paslėptus procesus fizikoje, chemijoje ir biologijoje, pirmą kartą atskleidžiant, kaip gamta elgiasi greičiausiomis ir sunkiausiai pagaunamomis akimirkomis“, – sakė Ido Kaminer.
Darbas publikuotas žurnale Nature.
Šaltiniai:
– https://www.nature.com/articles/s41586-026-10209-z
– https://www.technion.ac.il/en/blog/article/is-darkness-faster-than-light/
– https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_vortex
– https://en.wikipedia.org/wiki/Phonon_polariton
Leave a Reply