Учёные впервые наблюдали вихри световых волн, движущиеся быстрее света
Исследователи из Техниона — Израильского технологического института — впервые экспериментально подтвердили теоретическое предсказание полувековой давности, наблюдая загадочные тёмные области внутри световых волн, которые могут двигаться быстрее скорости света. Результаты этой работы, открывающей новые возможности для изучения квантовой информации и нанооптики, были опубликованы в журнале Nature.
То, что учёные называют «тёмными точками», на самом деле представляет собой вихри — мельчайшие «дыры» в волновой структуре света. Согласно новому исследованию, эти вихри способны перемещаться со сверхсветовой скоростью. В макромире подобные явления хорошо знакомы каждому: их можно наблюдать в океанских волнах или в водовороте, возникающем при размешивании напитка.
Идея о том, что вихри могут двигаться быстрее волны, в которой они формируются, была предложена физиками-теоретиками ещё в 1970-х годах. По сути, это явление аналогично ситуации, когда водоворот в реке движется быстрее самого течения. Данная концепция применима к широчайшему кругу волновых явлений, включая жидкости, звук, свет и даже сверхпроводники. Однако до сих пор эта идея оставалась чисто теоретической, не имея экспериментального подтверждения.
Обнаруженное сверхсветовое движение не вступает в противоречие с теорией относительности, которая постулирует, что ничто не может превысить скорость света. Ключевое различие заключается в том, что наблюдаемые вихри не являются физическими объектами. Ограничение скорости света распространяется на материю, энергию и информацию. Вихри же не несут ни того, ни другого, что позволяет им двигаться быстрее света, не нарушая фундаментальных физических законов.
В своей работе команда учёных описывает эти вихри как «нули» или «точки с нулевой амплитудой» — области внутри световой волны, где её интенсивность падает до нуля. Измерение таких точек в физическом мире долгое время оставалось сложнейшей задачей. Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи использовали специализированную систему сверхбыстрой микроскопии, разработанную в Центре электронной микроскопии Техниона. Эта установка позволила впервые отследить движение вихрей относительно волн, в которых они существуют.
Для достижения необходимого разрешения учёные интегрировали оптомеханическую лазерную систему в электронный микроскоп, что дало возможность проводить сверхточные измерения с предельно короткой длительностью импульса. Ключевую роль в эксперименте сыграл специально подготовленный материал — гексагональный нитрид бора. Это вещество преобразует световые волны в гибридные волны, сочетающие свойства света и звука, которые называются поляритонами. Двигаясь значительно медленнее света, эти волны позволили исследователям наблюдать вихри, которые, по их словам, «перескакивали» вперёд со сверхсветовой скоростью.
«Наше открытие раскрывает универсальные законы природы, общие для всех типов волн — от звуковых волн и потоков жидкости до сложных систем, таких как сверхпроводники», — отметил соавтор исследования профессор Идо Каминер. Он добавил, что этот прорыв предоставляет учёным мощный технологический инструмент: возможность картировать движение тончайших наноразмерных явлений в материалах с беспрецедентной чёткостью изображения благодаря новому методу электронной интерферометрии.
Исследователи уверены, что разработанные ими инновационные методы микроскопии позволят изучать скрытые процессы в физике, химии и биологии, открывая новые грани поведения природы в её самые быстрые и неуловимые моменты. По словам учёных, их работа не ограничивается рамками лабораторного любопытства, а имеет потенциал для применения в самых востребованных современных технологиях, включая кодирование квантовой информации, сверхпроводимость, нанооптику и микроскопию.
Статья была в журнале Nature.