Fyzici z Technion – Israel Institute of Technology priniesli prvý priamy experimentálny dôkaz javu, ktorý bol teoreticky predpovedaný už v 70. rokoch. V svetelných vlnách pozorovali tzv. nulové body, označované aj ako optické víry, ktoré sa za špecifických podmienok pohybovali rýchlosťou vyššou než je rýchlosť svetla vo vákuu.

Výsledky výskumu boli publikované v časopise Nature a predstavujú potvrdenie teoretického modelu, ktorý dlhé desaťročia nemal experimentálne overenie

Potvrdili 50-ročnú predpoveď

Svetelná vlna nie je homogénna. V jej štruktúre existujú miesta, kde intenzita žiarenia klesne presne na nulu. Tieto body sa nazývajú nulové body alebo optické víry. Ide o singularity vo vlnovom poli, kde fáza svetla vykazuje charakteristické vírivé usporiadanie.

Takéto štruktúry sa dajú prirovnať k vírom v tekutinách, no v prípade svetla ide o čisto vlnový jav. Samotný nulový bod nenesie energiu ani informáciu. Je to geometrická vlastnosť vlny, uvádza portál EurekAlert.

Teoretické práce zo 70. rokov naznačovali, že pohyb týchto singularít nie je obmedzený rýchlosťou svetla. Keďže nejde o hmotné objekty ani o nosiče informácie, ich rýchlosť nepodlieha limitu stanovenému teóriou relativity.

Midjourney/Bing

Experimentálna realizácia

Výskumný tím vedený profesorom Idom Kaminerom pripravil experiment v prostredí hexagonálneho nitridu bóru. V tomto materiáli sa svetlo šíri vo forme polaritónov, čo sú hybridné excitácie kombinujúce elektromagnetickú vlnu a kolektívne oscilácie materiálu.

Polaritóny sa pohybujú výrazne pomalšie než svetlo vo vákuu. Toto spomalenie vytvára podmienky, v ktorých sa nulové body vlnového poľa môžu presúvať extrémne rýchlo v porovnaní s rýchlosťou samotného šírenia energie.

Na sledovanie javu využili kombináciu laserového systému, pokročilej elektrónovej mikroskopie a presného optomechanického usporiadania. Dosiahli priestorové aj časové rozlíšenie, ktoré umožnilo zaznamenať pohyb týchto singularít v reálnom čase.

Vedci zaznamenali prípady, keď sa nulové body pohybovali rýchlosťou presahujúcou rýchlosť svetla vo vákuu. Nešlo pritom o transport energie ani o prenos signálu, ale o presun bodu nulovej intenzity v rámci meniaceho sa interferenčného vzoru.

Fyzikálny kontext

Rýchlosť svetla vo vákuu zostáva hornou hranicou pre šírenie informácie a energie. V tomto prípade však išlo o pohyb geometrického prvku vlny. Podobný jav je známy aj z iných oblastí fyziky, kde sa fáza alebo interferenčný obrazec môže meniť rýchlejšie než samotné šírenie vlny.

Kľúčovým prvkom je rozlíšenie medzi fázovou rýchlosťou, skupinovou rýchlosťou a pohybom singularít. Zatiaľ čo skupinová rýchlosť súvisí s prenosom energie, singularity predstavujú body definované nulovou amplitúdou, ktoré môžu meniť svoju polohu v rámci komplexného vlnového poľa.

Význam pre výskum vlnových javov

Potvrdenie tejto predpovede má význam pre štúdium štruktúrovaného svetla a topologických vlastností vlnových polí. Optické víry zohrávajú úlohu v nanofotonike, pokročilej mikroskopii aj vo výskume kvantových materiálov.

Schopnosť sledovať pohyb nulových bodov s vysokým rozlíšením otvára nové možnosti mapovania dynamických procesov v nanosvete. Týka sa to napríklad interakcií svetla s materiálmi, excitácií v dvojrozmerných systémoch alebo vývoja nových typov optických komponentov.

Experiment tak uzatvára teoretickú otázku starú pol storočia a zároveň poskytuje nástroje na ďalší výskum komplexných vlnových javov v rôznych fyzikálnych systémoch.

Čítajte viac z kategórie: Novinky