Fizikçiler Işıktan Daha Hızlı Hareket Edebilen Bir Şey Keşfetti: İçindeki Karanlık

Bunlar “faz tekillikleri” veya “optik girdaplar” olarak bilinir ve 1970'lerden beri bilim insanları, tıpkı bir nehirdeki girdapların etraflarındaki akan sudan daha hızlı hareket edebileceği gibi, ışık dalgasındaki girdapların da içinde bulundukları ışığı geride bırakabileceğini öngörmüşlerdi.

Bu, hiçbir şeyin ışık hızından daha hızlı hareket edemeyeceğini belirten görelilik ilkesini çürütmez. Bunun nedeni, girdapların kütle, enerji veya bilgi taşımaması ve hareketlerinin uzayda herhangi bir fiziksel hareketten ziyade dalga deseninin değişen geometrisine dayanmasıdır.

Ancak, bu fenomenin gerçekleşmesini yakalamak, son derece küçük uzay ve zaman ölçeklerinde ortaya çıktığı için zor olmuştur. Bu başarı, elektron mikroskobunun bir zaferidir.

“Keşfimiz, ses dalgalarından ve akışkan akışlarından süperiletkenler gibi karmaşık sistemlere kadar tüm dalga türlerinin paylaştığı evrensel doğa kanunlarını ortaya koyuyor,” diyor Technion Israel Institute of Technology'den fizikçi Ido Kaminer.

“Bu çığır açan gelişme bize güçlü bir teknolojik araç sunuyor: görüntü netliğini artıran yeni bir yöntem (elektron interferometrisi) sayesinde malzemelerdeki hassas nano ölçekli fenomenlerin hareketini haritalama yeteneği.”

Işık gözümüze tekdüze görünse de, kolayca ayırt edemediğimiz birçok şey oluyor. Işık, bilim insanlarının optik girdaplar olarak adlandırdığı bir tür faz tekilliği de dahil olmak üzere, akış dinamiğinin hakim olduğu diğer sistemlerde görülenlere benzer bozulmalara maruz kalabilir.

Işık hem parçacık hem de dalga gibi davranabilir; optik bir girdap, dalga ilerlerken tirbuşon gibi büküldüğünde oluşur. Bu bükülmenin tam merkezinde, ışık kendini iptal eder ve yoğunluğu sıfır olan bir nokta bırakır – ışıkta bir tür karanlık “delik”.

Matematiksel olarak, bir referans çerçeve içindeki iki tekilliğin birbirine çekileceği, yaklaşırken hız kazanacağı ve vakumda ışık hızını aşan hızlara ulaşacağı anlaşılmaktadır.

Araştırmacılar makalelerinde, “Zıt yüklü tekillikler birbirine yaklaştıkça, uzay-zamandaki yolları yok olma noktasında sürekli bir eğri oluşturmalı ve yok olmaktan hemen önce sınırsız hızlara ulaşmalarını sağlamalıdır” diye açıklıyor.

Bu durum diğer sistemlerde gözlemlenmiştir, ancak bu senaryonun bir ışık alanında nasıl gerçekleşebileceğini incelemek biraz daha zordur. Fizik laboratuvarlarında bunu incelemek için çok çalışma yapılmıştır, ancak optik girdapların gözlemlenmesi, girdap oluşumu, hareketi ve çarpışmasının gerçekleştiği hıza teknolojinin ayak uyduramaması nedeniyle sınırlı kalmıştır.

Bu sınırlamaları aşmak için Kaminer ve meslektaşları, altıgen bor nitrür adı verilen iki boyutlu bir malzemede optik girdapların davranışını kaydetti.

Bu malzeme, ışık ve atom titreşimlerinin melezleri olan ve tek başına ışıktan çok daha yavaş hareket eden ve sıkı bir şekilde sınırlanabilen fonon polaritonları adı verilen olağandışı ışık dalgalarını destekler. Bu, birçok girdapla dolu karmaşık girişim desenleri oluşturur ve araştırmacıların hareketlerini ayrıntılı olarak izlemelerine olanak tanır.

İkinci ve çok önemli kısım ise bu dinamikleri gerçek zamanlı olarak yakalamaktı. Ekip, benzeri görülmemiş uzamsal ve zamansal çözünürlüğe sahip özel bir yüksek hızlı elektron mikroskobu kullanarak, sadece 3 katrilyonun 1'i saniye içinde gerçekleşen olayları kaydetti.

Deneyi birçok kez tekrarladılar ve her seferinde bir önceki denemeye göre hafif bir gecikmeyle kayıt yaptılar. Bu şekilde oluşturulan yüzlerce görüntüyü üst üste bindirerek, araştırmacılar girdapların birbirlerine doğru hızla ilerleyip yok olmalarını gösteren bir zaman atlamalı görüntü oluşturdular; bu süreçte girdapların hızları çok kısa bir süreliğine ışık hızını aştı.

Deney, iki boyutlu bir ortamda gerçekleştirildi. Araştırmacılar, bir sonraki adımın çalışmalarını daha yüksek boyutlara genişleterek daha karmaşık davranışları gözlemlemek olduğunu söylüyor. Ayrıca, geliştirdikleri tekniklerin elektron mikroskobunun mevcut bazı sınırlamalarını aşmaya yardımcı olabileceğini de belirtiyorlar.

Kaminer, “Bu yenilikçi mikroskopi tekniklerinin fizik, kimya ve biyolojideki gizli süreçlerin incelenmesini sağlayacağına inanıyoruz,” diyor ve ekliyor: “Doğanın en hızlı ve en anlaşılmaz anlarında nasıl davrandığını ilk kez ortaya çıkaracak.”