Phát hiện đột phá: 'Bóng tối' trong ánh sáng có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng
Lần đầu tiên trong lịch sử, các nhà vật lý đã ghi nhận thành công hiện tượng những "lỗ hổng" hay còn gọi là xoáy quang học bên trong ánh sáng có khả năng di chuyển với vận tốc vượt trội hơn cả tốc độ ánh sáng. Điều đáng chú ý là phát hiện này không hề mâu thuẫn với các định luật vật lý cơ bản, đặc biệt là thuyết tương đối của Einstein.
Hiện tượng được dự đoán từ thập niên 1970
Theo báo cáo từ Science Alert, hiện tượng xoáy quang học đã được các nhà khoa học dự đoán từ những năm 1970, tương tự như cách các xoáy nước trong dòng sông có thể di chuyển nhanh hơn dòng chảy xung quanh. Trong môi trường ánh sáng, các xoáy này tồn tại dưới dạng những biến dạng trong cấu trúc sóng và có thể vượt qua chính môi trường ánh sáng mà chúng đang hiện diện.
Giáo sư Ido Kaminer, trưởng nhóm nghiên cứu, giải thích: "Chuyển động của các xoáy quang học không mang theo khối lượng, năng lượng hay thông tin. Do đó, chúng không vi phạm thuyết tương đối. Thay vào đó, chuyển động này chỉ phản ánh sự thay đổi hình học của sóng ánh sáng, chứ không phải là chuyển động vật lý thực sự trong không gian."
Thách thức công nghệ và phương pháp nghiên cứu tiên tiến
Việc quan sát trực tiếp hiện tượng này từng là thách thức lớn do nó diễn ra ở quy mô cực nhỏ, trong khoảng thời gian chỉ vài phần triệu tỷ giây. Để vượt qua trở ngại này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi điện tử tốc độ cao với độ phân giải vượt trội, cho phép ghi lại các chuyển động cực nhanh một cách chi tiết.
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, được 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 hơn.
Quá trình tái dựng và kết quả ấn tượng
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 thành công quá trình các xoáy tiến lại gần, va chạm và triệt tiêu lẫn nhau. Trong những khoảnh khắc ngắn ngủi, vận tốc của chúng có thể đạt mức vượt trội, thậm chí nhanh hơn tốc độ ánh sáng.
Các nhà khoa học 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. Điều này dẫn đến vận tốc biểu kiến có thể vượt qua tốc độ ánh sáng, một hiện tượng tương tự từng được quan sát trong các hệ thống khác nhưng chưa từng được ghi nhận trong trường ánh sáng phức tạp như vậy.
Ý nghĩa và triển vọng ứng dụng
Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature vào cuối tháng 3 vừa qua, không chỉ xác nhận dự đoán lý thuyết từ hàng thập kỷ trước mà còn mở ra khả năng quan sát các quá trình ở cấp độ nano với độ chính xác cao hơn.
Nhóm nghiên cứu dự kiến bước tiếp theo là mở rộng thí nghiệm sang các hệ nhiều chiều hơn để khám phá các hành vi phức tạp hơn của xoáy quang học. Đồng thời, kỹ thuật giao thoa điện tử được phát triển trong nghiên cứu này có thể góp phần cải thiện các giới hạn hiện tại của kính hiển vi điện tử, mang lại lợi ích cho nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ.
Giáo sư Kaminer chia sẻ: "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. Công nghệ mới này có thể giúp hé lộ những quá trình nhanh và khó nắm bắt nhất trong tự nhiên, hứa hẹn ứng dụng trong khoa học vật liệu và các ngành công nghiệp tiên tiến."
