Phát hiện thứ có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng

Bóng tối bên trong ánh sáng có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Ảnh: Aitor Diago.

Sciene Alert cho biết lần đầu tiên các nhà vật lý ghi nhận hiện tượng những “lỗ hổng” trong ánh sáng - còn gọi là xoáy quang học - có thể di chuyển nhanh hơn chính ánh sáng nhưng không vi phạm các định luật vật lý cơ bản.

Theo các nhà khoa học, hiện tượng này đã được dự đoán từ thập niên 1970, tương tự cách các xoáy nước trong dòng sông có thể di chuyển nhanh hơn dòng chảy xung quanh. Trong trường hợp của ánh sáng, các xoáy tồn tại như những biến dạng trong cấu trúc sóng và có thể vượt chính môi trường ánh sáng mà chúng nằm trong đó.

Dù vậy, phát hiện không mâu thuẫn với thuyết tương đối, bởi các xoáy này không mang khối lượng, năng lượng hay thông tin. Chuyển động của chúng chỉ phản ánh sự thay đổi hình học của sóng ánh sáng, thay vì chuyển động vật lý thực sự trong không gian.

Việc quan sát trực tiếp hiện tượng này trước đây gặp nhiều trở ngại do nó diễn ra ở quy mô cực nhỏ. Vì vậy, nhóm nghiên cứu do giáo sư Ido Kaminer dẫn đầu đã sử dụng kính hiển vi điện tử tốc độ cao với độ phân giải vượt trội để ghi lại các chuyển động diễn ra trong khoảng thời gian chỉ 3 phần triệu tỷ giây. Kết quả nghiên cứu đã được đăng trên tạp chí Nature vào cuối tháng 3 vừa qua.

Thí nghiệm được thực hiện trên vật liệu hai chiều nitrua bo lục giác, nơi tồn tại các trạng thái lai giữa ánh sáng và dao động nguyên tử, gọi là phonon polariton. Các sóng này di chuyển chậm hơn ánh sáng thông thường và có thể bị “giam giữ”, tạo ra những mô hình giao thoa phức tạp chứa nhiều xoáy quang học, giúp việc theo dõi trở nên khả thi.

Bằng cách lặp lại thí nghiệm nhiều lần với các độ trễ khác nhau và ghép hàng trăm hình ảnh, nhóm nghiên cứu đã tái dựng được quá trình các xoáy tiến lại gần, va chạm và triệt tiêu lẫn nhau. Trong khoảnh khắc ngắn, vận tốc của chúng có thể đạt mức vượt trội.

Các nhà nghiên cứu giải thích rằng khi hai điểm kỳ dị mang điện tích trái dấu tiến gần nhau, chúng bị hút và tăng tốc mạnh, buộc quỹ đạo trong không thời gian phải liên tục tại điểm triệt tiêu, khiến vận tốc biểu kiến có thể vượt tốc độ ánh sáng.

Hiện tượng tương tự từng được quan sát trong các hệ thống khác, song nghiên cứu trong trường ánh sáng phức tạp hơn nhiều do hạn chế công nghệ. Thành tựu lần này không chỉ xác nhận dự đoán lý thuyết mà còn mở ra khả năng quan sát các quá trình ở cấp độ nano.

Nhóm nghiên cứu dự kiến bước tiếp theo của họ là mở rộng thí nghiệm sang các hệ nhiều chiều hơn để khám phá các hành vi phức tạp hơn. Đồng thời, kỹ thuật giao thoa điện tử được phát triển có thể góp phần cải thiện các giới hạn hiện tại của kính hiển vi điện tử.

“Phát hiện của chúng tôi cho thấy các quy luật tự nhiên phổ quát chi phối mọi loại sóng, từ sóng âm, dòng chảy chất lỏng đến các hệ thống như chất siêu dẫn”, ông Kaminer cho biết, đồng thời nhấn mạnh công nghệ mới có thể giúp hé lộ những quá trình nhanh và khó nắm bắt nhất trong tự nhiên.