For første gang har fysikere observert at «hull» i lys kan bevege seg raskere enn lyset de oppstår i. Fenomenet kalles fasesingulariteter, også kjent som optiske virvler.
Allerede på 1970-tallet ble det forutsagt at slike virvler i en lysbølge kan oppføre seg litt som strømvirvler i en elv: En virvel kan i enkelte situasjoner flytte seg raskere enn vannet som strømmer rundt. Overført til lys betyr det at mønstre i bølgen kan «løpe fra» lyset de er en del av.
Dette bryter likevel ikke relativitetsteorien, som sier at ingenting med masse kan bevege seg raskere enn lysets hastighet i vakuum. Årsaken er at de optiske virvlene ikke frakter masse, energi eller informasjon. Bevegelsen deres skyldes endringer i geometrien til bølgemønsteret, ikke at noe fysisk objekt flyr gjennom rommet i overlysfart.
Det som har gjort fenomenet vanskelig å dokumentere, er at det utspiller seg på ekstremt små tids- og lengdeskalaer. Forskerne beskriver gjennombruddet som et resultat av svært avansert elektronmikroskopi.
– Oppdagelsen vår avdekker universelle naturlover som deles av alle typer bølger, fra lydbølger og væskestrømmer til komplekse systemer som superledere, sier fysikeren Ido Kaminer ved Technion Israel Institute of Technology.
– Dette gjennombruddet gir oss et kraftig teknologisk verktøy: evnen til å kartlegge bevegelsen til skjøre fenomener på nanoskala i materialer, avdekket gjennom en ny metode som øker bildeskarpheten, sier han.
Selv om lys for øyet virker jevnt og stabilt, kan det inneholde intrikate forstyrrelser. Lys kan beskrives både som partikkel og som bølge. En optisk virvel oppstår når bølgen vrir seg mens den forplanter seg, omtrent som en korketrekker. Helt i sentrum av denne vridningen kansellerer lyset seg selv, slik at intensiteten blir null. Resultatet er et mørkt punkt, et slags «hull» i lyset.
Matematisk er det kjent at to singulariteter i samme referanseramme kan trekkes mot hverandre og øke farten når avstanden blir mindre. Like før de utsletter hverandre, kan hastigheten i mønsterbevegelsen bli så høy at den tilsynelatende overstiger lyshastigheten i vakuum.
– Når singulariteter med motsatt «ladning» nærmer seg hverandre, må banene deres i romtid danne en kontinuerlig kurve i utslettelsespunktet. Det tvinger fram en akselerasjon mot ubegrensede hastigheter rett før utslettelsen, forklarer forskerne i artikkelen.
Lignende oppførsel er sett i andre typer bølgesystemer, men å fange den i et lysfelt er mer krevende. Grunnen er at dannelse, bevegelse og kollisjon mellom optiske virvler skjer så raskt at tradisjonell måleteknologi ikke har hatt tilstrekkelig oppløsning i tid og rom.
For å omgå dette studerte Kaminer og kollegene optiske virvler i et todimensjonalt materiale kalt heksagonalt bornitrid. Materialet kan bære spesielle bølger kjent som fonon-polaritoner, hybrider av lys og atomvibrasjoner. Disse beveger seg langt saktere enn vanlig lys og kan samtidig holdes tett innestengt, noe som skaper rike interferensmønstre med mange virvler som kan spores.
Den andre nøkkelen var å måle dynamikken i sanntid. Teamet tok i bruk et spesialisert høyhastighets elektronmikroskop med uvanlig høy romlig og tidsmessig oppløsning, og klarte å registrere hendelser som utspilte seg over bare 3 billiarddeler av et sekund.
Eksperimentet ble gjentatt mange ganger, hver gang med en liten tidsforsinkelse i forhold til forrige runde. Ved å sette sammen hundrevis av slike bilder laget forskerne en timelapse som viste hvordan virvlene raste mot hverandre og ble utslettet. I denne prosessen nådde mønsterbevegelsen i et svært kort øyeblikk hastigheter som fremsto som overlysfart.
Forsøket ble gjennomført i et todimensjonalt system. Neste steg, ifølge forskerne, er å forsøke å utvide arbeidet til høyere dimensjoner for å undersøke mer komplisert oppførsel. De mener også at metodene de utviklet, kan bidra til å løse noen av dagens begrensninger innen elektronmikroskopi.
– Vi mener disse innovative mikroskopiteknikkene vil gjøre det mulig å studere skjulte prosesser i fysikk, kjemi og biologi, og for første gang vise hvordan naturen oppfører seg i sine raskeste og mest unnvikende øyeblikk, sier Kaminer.
Studien er publisert i Nature.
