Свет — фотоны — обладает одновременно свойствами волны и частицы. И как любая волна, включая, бегущие по глади воды, струи света текут, создавая в пространстве-времени характерные для обычной воды узоры. Учёные впервые показали это на необычном явлении, когда водовороты в воде начинают двигаться быстрее самого потока. Оказалось, свет также создаёт вихри, которые движутся быстрее скорости света.
Источник изображения: ИИ-генерация Grok 4/3DNews
Математически существование оптических вихрей, или фазовых сингулярностей света, было доказано теоретиками более 50 лет назад. Трудность состояла в том, чтобы увидеть это явление в эксперименте — научное оборудование долго не было к этому готово. Наконец, учёные с помощью электронной микроскопии высочайшего разрешения как в пространстве, так и во времени смогли увидеть и задокументировать это явление в двумерном материале — гексагональном нитриде бора.
Гексагональный нитрид бора был выбран потому, что в нём волны из поляритонов сильно сжаты и создают сложные интерференционные картины, идеальные для наблюдения за оптическими вихрями. Непосредственное наблюдение за фотонами невозможно, но когда они взаимодействуют с коллективными возбуждениями в веществе, возникают квазичастицы — поляритоны, за которыми можно наблюдать как за проявлением активности фотонов.
Добавим, что это открытие не противоречит специальной теории относительности Эйнштейна, поскольку не происходит переноса массы, энергии и информации.
Оптические вихри возникают, когда световые волны закручиваются подобно водовороту: в центре вихря волны взаимно гасят друг друга, образуя точку нулевой интенсивности — «тёмную дыру». Физически две противоположно заряженные сингулярности притягиваются друг к другу и, сближаясь, ускоряются. Их движение описывается геометрией волнового фронта, а не реальным перемещением материи, поэтому скорость фазы волны может превышать скорость света, как это происходит и в других волновых явлениях (например, в звуковых волнах или потоках жидкости).
«Наше открытие раскрывает универсальные законы природы, общие для всех типов волн, от звуковых волн и потоков жидкости до сложных систем, таких как сверхпроводники», — поясняют учёные. Свет тоже укладывается в эту физику.
Кроме того, предложенная учёными новая методика электронной интерферометрии открывает путь к изучению самых быстрых и скрытых процессов в физике, химии и биологии на масштабе нанометров. Хотя явление наблюдается лишь в микроскопических масштабах и не нарушает причинно-следственных связей, оно даёт учёным мощный инструмент для исследования природы в её самых быстротечных проявлениях.