Учёные впервые наблюдали, как нечто внутри потока света двигалось быстрее него

Свет, состоящий из фотонов, демонстрирует двойственную природу, сочетая в себе свойства и волны, и частицы. Подобно любой волне, будь то рябь на поверхности воды, световые потоки также способны течь, формируя в пространстве-времени сложные узоры, характерные для жидких сред. Исследователям впервые удалось продемонстрировать это на примере необычного феномена, при котором водяные вихри начинают перемещаться быстрее, чем сама текущая вода. Выяснилось, что свет также порождает особые вихри, скорость движения которых может превосходить скорость света.

Математическое обоснование существования оптических вихрей, также известных как фазовые сингулярности света, было предоставлено теоретиками более полувека назад. Основная сложность заключалась в экспериментальной визуализации этого явления — уровень развития научного оборудования долгое время не позволял этого сделать. Наконец, используя электронную микроскопию сверхвысокого разрешения как в пространственном, так и во временном измерении, учёные смогли наблюдать и зафиксировать этот феномен в двумерном материале — гексагональном нитриде бора.

Выбор гексагонального нитрида бора в качестве объекта исследования был неслучаен: в этом материале волны поляритонов оказываются сильно сжатыми и создают сложные интерференционные картины, что идеально подходит для наблюдения за оптическими вихрями. Непосредственно отслеживать движение фотонов невозможно, однако когда они вступают во взаимодействие с коллективными возбуждениями в веществе, рождаются квазичастицы — поляритоны. Наблюдение за ними позволяет изучать проявления активности фотонов.

Стоит подчеркнуть, что данное открытие не вступает в противоречие со специальной теорией относительности Альберта Эйнштейна, поскольку в процессе не происходит переноса массы, энергии или какой-либо информации.

Оптические вихри возникают, когда световые волны закручиваются, подобно водовороту: в самом центре такого вихря волны взаимно гасятся, образуя область нулевой интенсивности, так называемую «тёмную дыру». С физической точки зрения, две противоположно заряженные сингулярности притягиваются друг к другу и, сближаясь, набирают скорость. Их движение описывается геометрией волнового фронта, а не реальным перемещением материи, поэтому фазовая скорость волны может превышать скорость света, что характерно и для других волновых явлений, например, для звуковых волн или потоков жидкости.

«Наше открытие раскрывает универсальные законы природы, которые являются общими для всех типов волн — от звуковых колебаний и потоков жидкости до таких сложных систем, как сверхпроводники», — комментируют авторы исследования. Свет также полностью подчиняется этой фундаментальной физике.

Более того, новая методика электронной интерферометрии, предложенная научной группой, открывает путь к исследованию наиболее быстрых и скрытых от прямого наблюдения процессов в физике, химии и биологии на нанометровом масштабе. Хотя наблюдаемый феномен проявляется лишь в микроскопических масштабах и не нарушает причинно-следственных связей, он предоставляет учёным мощный инструмент для изучения природы в её самых стремительных и динамичных проявлениях.