Tìm thấy thứ di chuyển nhanh hơn ánh sáng

Hiện tượng này, được gọi là điểm kỳ dị pha hoặc xoáy quang học, đã được dự đoán từ những năm 1970. Các nhà khoa học tin rằng, tương tự như xoáy nước trong dòng sông có thể di chuyển nhanh hơn dòng chảy xung quanh, các xoáy trong sóng ánh sáng cũng có thể vượt qua tốc độ của chính ánh sáng mà chúng nằm trong đó.

Điều này không vi phạm Thuyết tương đối của Einstein, vốn khẳng định không vật thể nào có khối lượng, năng lượng hay thông tin có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Các xoáy quang học không mang theo bất kỳ yếu tố nào trong số đó; chuyển động của chúng dựa trên sự biến đổi hình học của mô hình sóng, không phải chuyển động vật lý trong không gian.

Tuy nhiên, việc ghi lại hiện tượng này trong thực tế là một thách thức lớn do nó diễn ra trên quy mô không gian và thời gian cực kỳ nhỏ. Thành tựu này là một thắng lợi của kính hiển vi điện tử.

Nhà vật lý học Ido Kaminer từ Viện Công nghệ Technion Israel nhận định: "Phát hiện của chúng tôi hé lộ những quy luật tự nhiên phổ quát được chia sẻ bởi tất cả các loại sóng, từ sóng âm thanh và dòng chảy chất lỏng đến các hệ thống phức tạp như chất siêu dẫn.

"Bước đột phá này cung cấp cho chúng ta một công cụ công nghệ mạnh mẽ: khả năng lập bản đồ chuyển động của các hiện tượng nano tinh vi trong vật liệu, được tiết lộ thông qua một phương pháp mới (giao thoa điện tử) giúp tăng cường độ sắc nét của hình ảnh".

Bí ẩn của xoáy quang học

Mặc dù ánh sáng có vẻ đồng nhất đối với mắt thường, nhưng nó chứa đựng nhiều điều phức tạp. Ánh sáng có thể chịu ảnh hưởng của các nhiễu loạn tương tự như những nhiễu loạn trong các hệ thống khác bị chi phối bởi động lực dòng chảy, bao gồm một loại điểm kỳ dị pha mà các nhà khoa học gọi là xoáy quang học.

Ánh sáng có thể hoạt động vừa như một hạt vừa như một sóng. Một xoáy quang học hình thành khi sóng xoắn lại khi truyền đi, giống như một cái vít xoắn. Ngay tại tâm của sự xoắn đó, ánh sáng tự triệt tiêu, để lại một điểm có cường độ bằng 0 - một loại "lỗ tối" trong ánh sáng.

Về mặt toán học, hai điểm kỳ dị trong một hệ quy chiếu sẽ bị hút lại gần nhau, tăng tốc khi chúng tiến lại gần, đạt đến vận tốc dường như vượt quá tốc độ ánh sáng trong chân không.

"Khi các điểm kỳ dị mang điện tích trái dấu tiến lại gần nhau, quỹ đạo của chúng trong không-thời gian phải tạo thành một đường cong liên tục tại điểm hủy diệt, buộc chúng phải tăng tốc đến vận tốc vô hạn ngay trước khi hủy diệt", các nhà nghiên cứu giải thích.

Hiện tượng này đã được quan sát thấy trong các hệ thống khác, nhưng việc nghiên cứu cách thức diễn ra của nó trong trường ánh sáng thì phức tạp hơn. Nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện trong các phòng thí nghiệm vật lý, nhưng việc quan sát các xoáy quang học bị hạn chế bởi khả năng của công nghệ trong việc theo kịp tốc độ hình thành, chuyển động và va chạm của các xoáy này.

Kính hiển vi điện tử tốc độ cao mở ra cánh cửa mới

Để khắc phục những hạn chế đó, Nhà vật lý học Kaminer và các đồng nghiệp đã ghi lại hành vi của các xoáy quang học trong một vật liệu hai chiều gọi là boron nitride lục giác.

Vật liệu này hỗ trợ các sóng ánh sáng bất thường gọi là phonon polariton - sự kết hợp giữa ánh sáng và dao động nguyên tử - di chuyển chậm hơn nhiều so với ánh sáng đơn thuần và có thể bị giam giữ chặt chẽ.

Điều này tạo ra các mô hình giao thoa phức tạp chứa đầy các xoáy, cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi chuyển động của chúng một cách chi tiết.

Phần thứ hai, và cũng là phần quan trọng nhất, là ghi lại những diễn biến đó trong thời gian thực. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một kính hiển vi điện tử tốc độ cao chuyên dụng với độ phân giải không gian và thời gian chưa từng có, ghi lại các sự kiện diễn ra chỉ trong 3 phần triệu tỷ giây.

Họ đã thực hiện thí nghiệm nhiều lần, mỗi lần ghi hình với độ trễ nhỏ so với lần trước. Bằng cách ghép nối hàng trăm hình ảnh được tạo ra theo cách này, các nhà nghiên cứu đã có được một video tua nhanh về các xoáy khi chúng lao về phía nhau và triệt tiêu lẫn nhau, vận tốc của chúng đạt tốc độ siêu ánh sáng trong một thời gian rất ngắn.

Thí nghiệm diễn ra trong không gian hai chiều. Bước tiếp theo, các nhà nghiên cứu sẽ cố gắng mở rộng công trình của họ sang các chiều cao hơn để quan sát các hành vi phức tạp hơn. Họ cũng cho biết các kỹ thuật mà họ đã phát triển có thể giúp giải quyết một số hạn chế hiện tại của kính hiển vi điện tử.

"Chúng tôi tin rằng các kỹ thuật kính hiển vi tiên tiến này sẽ cho phép nghiên cứu các quá trình ẩn giấu trong vật lý, hóa học và sinh học", Nhà vật lý học Kaminer nói, "lần đầu tiên tiết lộ cách thức hoạt động của tự nhiên trong những khoảnh khắc nhanh nhất và khó nắm bắt nhất của nó".