Fizikçiler, ışık dalgalarındaki 'boşlukların' ilk kez ışıktan daha hızlı hareket edebildiğini gözlemledi. Bu olguya 'faz tekillikleri' veya 'optik girdaplar' deniyor. 1970'lerden bu yana, bilim insanları nehirdeki girdapların akıntıdan daha hızlı hareket edebildiği gibi, ışık dalgasının içindeki girdapların da kendilerini oluşturan ışıktan daha hızlı ilerleyebileceğini öngörüyordu.
Bu keşif, hiçbir şeyin ışıktan hızlı gidemeyeceğini belirten görelilik ilkesini ihlal etmiyor. Çünkü bu optik girdaplar kütle, enerji veya bilgi taşımıyor. Hareketleri, uzayda fiziksel bir hareketten ziyade, dalga deseninin geometrisinin evrimine dayanıyor.
Ancak bu fenomeni kaydetmek oldukça zorluydu, zira olaylar son derece küçük ölçeklerde ve kısa sürelerde gerçekleşiyor. Bu keşif, elektron mikroskobu teknolojisindeki büyük bir başarı olarak nitelendiriliyor.
Teknik Üniversite'den fizikçi Ido Kaminer, "Keşfimiz, ses dalgalarından akışkan akışlarına ve süperiletkenler gibi karmaşık sistemlere kadar tüm dalga türlerinin paylaştığı evrensel doğa yasalarını ortaya koyuyor" diyor. "Bu çığır açıcı gelişme, bize güçlü bir teknolojik araç sağlıyor: Malzemelerdeki hassas nano ölçekli olguların hareketini haritalama yeteneği, geliştirilmiş görüntü keskinliği sunan yeni bir yöntemle (elektron interferometrisi) ortaya konuyor."
Gözümüze homojen görünen ışığın, kolayca algılayamadığımız birçok dinamiğe sahip olduğu biliniyor. Işık, faz tekillikleri adı verilen ve bilim insanlarının optik girdaplar olarak adlandırdığı bir tür bozulmaya uğrayabiliyor. Işık hem parçacık hem de dalga olarak davranabilir; optik bir girdap, ışık ilerlerken bir tirbuşon gibi bükülerek oluşur. Bu bükülmenin tam ortasında, ışık kendini iptal ederek sıfır yoğunluklu bir noktaya, yani ışıkta bir tür karanlık 'boşluğa' neden olur.
Matematiksel olarak, bir referans çerçevesindeki iki tekilliğin birbirini çekeceği ve yaklaştıkça hızlanarak, vakumdaki ışıktan daha yüksek hızlara ulaşacağı anlaşılıyor.
Araştırmacılar, "Karşıt yüklü tekillikler birbirine yaklaştıkça, uzay zamandaki yolları yok olma noktasında sürekli bir eğri oluşturmak zorunda kalır, bu da yok olmalarından hemen önce hızlarının sınırsız değerlere ulaşmasına neden olur" diye açıklıyor.
Diğer sistemlerde gözlemlenmiş olsa da, bu senaryonun bir ışık alanında nasıl işleyebileceğini incelemek daha karmaşık. Fizik laboratuvarlarında bu olguyu incelemek için çok çaba harcandı, ancak optik girdapların gözlemleri, girdap oluşumu, hareketi ve çarpışmasının gerçekleştiği hızlara ayak uyduramayan teknolojiyle sınırlı kaldı.
Bu sınırlamaların üstesinden gelmek için Kaminer ve meslektaşları, altıgen bor nitrür adı verilen iki boyutlu bir malzemedeki optik girdapların davranışını kaydetti. Bu malzeme, ışık ve atomik titreşimlerin hibritleri olan ve ışığın kendisinden çok daha yavaş hareket eden, sıkıca hapsedilebilen 'fonon polaritonları' olarak adlandırılan alışılmadık ışık dalgalarını destekliyor. Bu, girdaplarla dolu karmaşık girişim desenleri yaratarak araştırmacıların hareketlerini ayrıntılı olarak takip etmelerini sağlıyor.
İkinci ve kritik adım ise bu dinamikleri gerçek zamanlı olarak kaydetmekti. Ekip, eşi benzeri görülmemiş uzaysal ve zamansal çözünürlüğe sahip özel bir yüksek hızlı elektron mikroskobu kullandı ve yalnızca saniyenin 3 katrilyonda biri kadar süren olayları kaydetti.
Deneyi birçok kez tekrarladılar, her seferinde bir öncekine göre küçük bir gecikmeyle kayıt yaptılar. Bu şekilde üretilen yüzlerce görüntüyü bir araya getirerek, girdapların birbirine doğru hızlandığı ve yok olduğu anların zaman aşırı görüntüsünü oluşturdular. Bu süreçte hızları çok kısa bir süre için ışıktan hızlı değerlere ulaştı.
Deney iki boyutlu bir bağlamda gerçekleşti. Araştırmacılar, bir sonraki adımın daha karmaşık davranışları gözlemlemek için çalışmaları daha yüksek boyutlara genişletmeye çalışmak olduğunu belirtiyor. Ayrıca geliştirdikleri tekniklerin elektron mikroskobunun mevcut sınırlamalarının bazılarını gidermeye yardımcı olabileceğini söylüyorlar.
Kaminer, "Bu yenilikçi mikroskobik tekniklerin fizik, kimya ve biyolojideki gizli süreçlerin incelenmesini sağlayacağına ve doğanın en hızlı ve en kaçamak anlarında nasıl davrandığını ilk kez ortaya çıkaracağına inanıyoruz" diyor. Araştırma, doğa dergisinde yayımlandı.
