Свет давно известен как явление с двойственной природой, сочетающее свойства волны и частицы. Однако новое исследование позволило буквально «увидеть» поведение световых волн в необычном режиме. Учёные зафиксировали так называемые оптические вихри — особые структуры в световом поле, которые ведут себя подобно водоворотам в жидкости.
Теоретически существование таких вихрей, также называемых фазовыми сингулярностями, было предсказано ещё несколько десятилетий назад. Но только сейчас технологии позволили наблюдать их напрямую. Для этого исследователи использовали сверхточную электронную микроскопию и изучали поведение света в гексагональном нитриде бора — материале, в котором световые волны сильно сжимаются и образуют сложные интерференционные картины.
Ключ к наблюдению заключается в поляритонах — квазичастицах, возникающих при взаимодействии света с веществом. Они позволяют «увидеть» поведение фотонов косвенно, фиксируя их влияние на среду. Именно через них учёные смогли отследить формирование и движение оптических вихрей.
Наиболее удивительным оказалось то, что такие вихри могут перемещаться быстрее скорости света. Однако это не нарушает теорию относительности, поскольку речь идёт не о переносе энергии или информации, а о движении фазового фронта волны. Подобные эффекты известны и в других волновых системах, включая звук и гидродинамику.
В центре каждого такого вихря возникает область нулевой интенсивности, где свет взаимно гасится. Взаимодействие между такими структурами приводит к их ускорению и сложной динамике, описываемой геометрией волновых фронтов.
Помимо фундаментального значения, открытие имеет и прикладной потенциал. Новая методика электронной интерферометрии открывает возможности для изучения процессов, происходящих на наномасштабе и в сверхкороткие промежутки времени. Это может оказаться полезным в физике, химии и даже биологии, где важна точность и скорость наблюдений.
