Einstein avea dreptate: întunericul poate fi mai rapid decât lumina fără să încalce relativitatea

Când undele se suprapun, apar locuri în care se anulează reciproc: puncte întunecate, „zerouri” ale câmpului. Într-un experiment realizat de fizicieni din Israel, aceste zerouri s-au deplasat mai repede decât lumina, deși undele care transportă energia se mișcau mult mai încet.

Cercetătorii au urmărit acest comportament contraintuitiv cu ajutorul microscopiei electronice, într-o probă subțire de material. Relativitatea nu are de suferit. Punctele care se mișcă sunt locurile în care câmpul de undă măsurat scade până la zero, iar deplasarea lor descrie doar un model care evoluează foarte repede. Prin ele nu se pot transmite informații mai repede decât lumina.

Studiul, publicat în revista Nature, a fost condus de cercetători de la Technion-Israel Institute of Technology. Tomer Bucher și Alexey Gorlach au lucrat cu echipa lui Ido Kaminer și cu membrii unei colaborări internaționale pentru a cartografia aceste singularități de fază optică. Măsurătorile au surprins pozițiile și vitezele singularităților, dar și relațiile fiecăreia cu cele vecine. Această combinație le-a permis cercetătorilor să testeze predicții vechi despre felul în care se comportă aceste puncte împreună.

Un punct întunecat aparține undelor din jurul lui

Când undele se suprapun, contribuțiile lor se pot întări reciproc sau se pot anula. În anumite locuri, anularea coboară amplitudinea câmpului măsurat până la zero. Aceste zerouri se numesc singularități de fază, pentru că acolo faza undei devine nedefinită. Totuși, în jurul fiecăruia, faza parcurge un ciclu complet.

Ciclul poate fi parcurs într-un sens sau în celălalt, iar sensul îi dă singularității o sarcină topologică pozitivă sau negativă. Eticheta descrie structura câmpului și nu are legătură cu sarcina electrică. Singularitățile cu sarcini opuse se pot întâlni și pot dispărea, iar pe măsură ce interferența se schimbă, pot apărea perechi noi. Identitatea lor depinde, așadar, de modelul undelor din jur.

Conceptul pornește de la lucrările lui John Nye și Michael Berry despre dislocările de undă, din 1974. Teoriile ulterioare au studiat cum se mișcă singularitățile și cum se distribuie pozițiile și vitezele lor. Unele au prezis mișcări extrem de rapide în apropierea momentelor în care perechile se formează sau dispar. Pentru a verifica aceste predicții, trebuiau detectate schimbări mai mici decât o lungime de undă și mai rapide decât un ciclu de undă.

Undele lente au făcut vizibile schimbările rapide

Experimentul a folosit nitrură de bor hexagonală (hBN), sub formă de fulgi cu grosimea de aproximativ 40–50 de nanometri. În acest material, câmpurile electromagnetice se cuplează cu vibrațiile rețelei cristaline, iar undele hibride care rezultă se numesc polaritoni fononici. Datorită proprietăților lor, hBN este util pentru a concentra lumina în regiuni foarte mici.

Proba a fost excitată cu impulsuri laser în infraroșul mediu, cu o lungime de undă medie de 7 micrometri. Lungimea de undă a polaritonilor a scăzut la aproximativ 630 de nanometri, iar viteza lor de grup putea fi de peste 100 de ori mai mică decât cea a luminii în vid. Viteza de grup descrie deplasarea anvelopei pachetului de undă. Punctele întunecate de interferență urmau însă un alt tip de mișcare.

Marginile neregulate ale probei au trimis unde în direcții diferite și cu faze diferite. Împrăștierea pe alte margini a adăugat interferențe suplimentare, iar rezultatul a fost un model complex, cu numeroase singularități. Relația neobișnuită dintre viteza de fază și viteza de grup din acest material a făcut ca schimbările foarte rapide ale modelului să apară mai des. Încetinirea pachetului de undă a contribuit astfel la evidențierea mișcării aparent superluminale a singularităților.

Electronii au surprins schimbările din interiorul unui singur ciclu de undă

Echipa a combinat un sistem laser cu un microscop electronic de transmisie ultrarapid. Electronii folosiți ca sondă interacționau mai întâi cu un câmp luminos de referință, apoi cu câmpul din apropierea probei. Un filtru de energie îi selecta pe cei care purtau informații din aceste interacțiuni. Modificând sincronizarea relativă și faza optică, cercetătorii au putut reconstitui amplitudinea și faza câmpului din probă.

Tehnica, numită imagistică Ramsey cu electroni liberi, a atins o rezoluție spațială de aproximativ 20 de nanometri, cam 1/30 (0,03) din lungimea de undă a polaritonului. Eșantionarea în timp a ajuns la trei femtosecunde (o femtosecundă este o milionime dintr-o miliardime de secundă). Ciclul luminii de excitație dura aproximativ 23 de femtosecunde, așa că măsurătorile au putut distinge schimbările petrecute în interiorul unui singur ciclu.

Hărțile au fost obținute din măsurători făcute la întârzieri controlate, urmate de o reconstrucție computațională. Cercetătorii au corectat deriva, apoi au identificat singularitățile și le-au corelat pozițiile de la un cadru la altul. Traseele obținute au arătat momentele în care singularitățile se creau și se anihilau, precum și mișcarea dintre aceste momente. Microscopul a măsurat componenta câmpului orientată de-a lungul traiectoriei electronului. Imaginea dinamicii undei este deci detaliată, dar specifică acestei componente.

Informația de fază a fost esențială pentru a stabili în ce sens își parcurge faza ciclul în jurul fiecărei singularități. O hartă a luminozității ar fi arătat doar zonele întunecate, fără sarcina lor topologică. Pentru că au recuperat atât amplitudinea, cât și faza, cercetătorii au putut deosebi cele două tipuri de sarcină și le-au putut urmări interacțiunile în timp.

Perechile accelerează pe măsură ce se apropie de dispariție

Singularitățile cu sarcini opuse accelerau pe măsură ce se apropiau de anihilare. Traiectoriile lor se uneau într-o curbă continuă în spațiu și timp, iar pozițiile se schimbau brusc chiar înainte ca punctele să dispară. Descrierile matematice prezic că, aproape de acel punct de întâlnire, viteza devine formal nelimitată. Experimentul a înregistrat valori finite, peste viteza luminii în vid, nu o viteză infinită.

În distribuția măsurată, aproximativ 29% dintre singularități au depășit viteza luminii. Media raportată a fost de aproximativ 1,04 ori această viteză, deci în ansamblu valorile au rămas aproape de limită. Distribuția avea totuși o „coadă grea” pronunțată, adică includea și evenimente neobișnuit de rapide. Aceste extreme deosebesc singularitățile de particulele materiale, a căror mișcare respectă alte constrângeri.

Echipa a analizat și raportul dintre distanța care separă singularitățile și viteza lor relativă. Perechile cu sarcini opuse apăreau mai des la distanțe mici și aveau o gamă mai largă de viteze. Măsurătorile au fost în concordanță cu calculele bazate pe interferența unor unde aleatorii. Împreună, rezultatele au stabilit o legătură între fiecare eveniment de dispariție în parte și comportamentul statistic al întregului ansamblu.

Datorită polaritonilor lenți, aceste evenimente au fost relativ frecvente. Pentru aceiași parametri ai laserului, dar în spațiul liber, cercetătorii au calculat că doar aproximativ 0,4% dintre singularități ar depăși viteza luminii. Cifra este o comparație teoretică, nu rezultatul unui al doilea experiment. Ea ajută să se înțeleagă de ce materialul ales a făcut fenomenul mai ușor de detectat.

Relativitatea rămâne intactă, iar microscopia câștigă un instrument

Un zero în mișcare nu este o particulă de materie care călătorește dintr-un loc în altul. Acesta marchează locul în care undele se anulează la un anumit moment, iar acest loc se poate muta rapid pe măsură ce câmpul se schimbă. Singularitatea nu transportă energie sau informație de-a lungul traiectoriei sale aparente. Din acest motiv, viteza ei nu încalcă cauzalitatea relativistă și nu permite comunicarea mai rapidă decât lumina.

Realizarea mai importantă a lucrării este capacitatea de a cartografia structuri de undă delicate cu detalii spațiale și temporale neobișnuit de fine. Singularități asemănătoare apar în sisteme optice, în superfluide și în alte contexte fizice, chiar dacă dinamica lor de bază diferă. Cercetătorii propun extinderea abordării la alte materiale bidimensionale și la structuri optice mai complexe. Astfel de studii ar putea testa cum modifică proprietățile materialelor statisticile singularităților.

Rămân însă limite importante. Rezoluția este finită, iar perechile aflate la distanțe foarte mici au fost observate rar. Unele viteze extreme au depășit domeniul de detecție al tehnicii, iar cartografierea câmpurilor tridimensionale complete ar necesita metode suplimentare de reconstrucție. Lucrarea stabilește o abordare de măsurare puternică și confirmă mișcarea rapidă a modelelor, dar aplicațiile propuse rămân direcții pentru cercetări viitoare.

Merită să știe și alții asta?

Votează dacă ți-a plăcut articolul.

DA NU