Нови измервания разкриват ‘тъмни’ точки със свръхсветлинни скорости

Изследване на оптични сингулярности в реално време

Екип от учени в Израел наблюдава директно малки нулеви точки в светлинни вълни — т.нар. оптични фазови сингулярности — които се движат с привидно по-голяма скорост от тази на светлината. Резултатите, публикувани в списание Nature от учени от Технион, бяха разпространени и от phys.org.

Какво всъщност са тези „тъмни“ точки?

Оптичните сингулярности, наричани още оптични вихри, представляват миниатюрни области, в които интензитетът на светлината пада до нула. Те не са материални частици и не пренасят енергия или информация — с други думи, са структурни особености на вълната, а не носители на сигнал.

Експерименталният подход

Експериментът е проведен в кристали от хексагонален борен нитрид (hBN), където светлината се превръща във фонон-поляритони — хибридни вълни с много по-ниска скорост от светлината във вакуум. Това забавяне дава възможност да се проследи детайлно вътрешната структура на вълновите фронтове.

С помощта на усъвършенствана лазерна микроскопия и ултрабърза електронна микроскопия учените достигат нанометрова пространствена и фемтосекундна времева резолюция, което им позволява да записват възникването, движението и изчезването на десетки сингулярности в реално време.

Наблюдаваните явления

В един от записите две сингулярности с противоположен топологичен заряд се ускоряват една към друга и в крайна сметка се анихилират. Непосредствено преди сблъсъка тяхната привидна скорост превишава тази на светлината — ефект, който е предсказан теоретично още преди десетилетия.

Изследването отчита, че такива високи скорости са често срещани при наблюдаваните условия: средната скорост на сингулярностите леко надвишава скоростта на светлината, а около 30% от наблюдаваните точки проявяват „свръхсветлинни“ характеристики.

Защо това не нарушава теорията на относителността

Ограничението за скоростта според общата теория на относителността се отнася за пренос на материя и информация. Тъй като оптичните сингулярности са нулеви по интензитет структури, които не носят енергия или информация, тяхното привидно движение не нарушава физичните закони. То е по-скоро промяна в геометрията на вълната, отколкото преминаване на обект през пространството.

Възможни приложения и по-широки последици

Подобни явления се наблюдават и в други физични системи — от течности до квантови материали. Новият измервателен метод отваря врати за по-прецизни наблюдения на ултрабързи процеси и може да намери приложения в нанотехнологиите, оптиката и проучванията на квантови системи, където манипулацията на вълновите фази е критична.

Ключово заключение

Откритието не означава възможност за свръхсветлинна комуникация, но хвърля светлина върху неочаквани начини, по които вълните могат да структурират пространството си — включително чрез „тъмни“ области, които се движат по-бързо, отколкото досега сме смятали за възможно.