Por primera vez, los físicos han observado que los “agujeros” en la luz pueden moverse más rápido que la propia luz.
Se les conoce como singularidades de fase o vórtices ópticos, y desde la década de 1970, los científicos han predicho que, así como los remolinos en un río pueden moverse más rápido que el agua que fluye a su alrededor, también los remolinos en una onda de luz pueden superar la luz en la que están incrustados.
Esto no rompe la relatividad, que afirma que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz. Esto se debe a que los vórtices no transportan masa, energía o información, y su movimiento se basa en la geometría evolutiva del patrón de onda más que en cualquier movimiento físico a través del espacio.
Sin embargo, ha sido difícil capturar este fenómeno en acción porque se desarrolla en escalas de espacio y tiempo extremadamente pequeñas. El logro es un triunfo de la microscopía electrónica.
“Nuestro descubrimiento revela leyes universales de la naturaleza compartidas por todo tipo de ondas, desde ondas sonoras y flujos de fluidos hasta sistemas complejos como los superconductores”, dice Ido Kaminer, físico del Instituto Tecnológico Technion de Israel.
“Este avance nos proporciona una poderosa herramienta tecnológica: la capacidad de mapear el movimiento de delicados fenómenos a nanoescala en materiales, revelado a través de un nuevo método (interferometría electrónica) que mejora la nitidez de la imagen”.
Aunque a nuestros ojos la luz parece uniforme, suceden muchas cosas que no podemos discernir fácilmente. La luz puede estar sujeta a perturbaciones similares a las observadas en otros sistemas dominados por la dinámica del flujo, incluido un tipo de singularidad de fase que los científicos llaman vórtices ópticos.
La luz puede comportarse como partícula y como onda; Se forma un vórtice óptico cuando la onda gira a medida que viaja, como un sacacorchos. En el centro mismo de ese giro, la luz se anula, dejando un punto de intensidad cero, una especie de “agujero” oscuro en la luz.
Se entiende matemáticamente que dos singularidades en un sistema de referencia se juntarán, ganando velocidad a medida que se acercan, alcanzando velocidades que parecen exceder la velocidad de la luz en el vacío.
“A medida que las singularidades con cargas opuestas se acercan entre sí, sus trayectorias en el espacio-tiempo deben formar una curva continua en el punto de aniquilación, forzando su aceleración a velocidades ilimitadas justo antes de la aniquilación”, explican los investigadores en su artículo.
Se ha observado en otros sistemas, pero estudiar cómo podría desarrollarse este escenario en un campo luminoso es algo más complicado. Se ha trabajado mucho en los laboratorios de física para estudiarlo, pero las observaciones de los vórtices ópticos se han visto limitadas por la incapacidad de la tecnología para seguir el ritmo de la velocidad a la que se desarrollan la formación, el movimiento y la colisión de los vórtices.
Para superar estas limitaciones, Kaminer y sus colegas registraron el comportamiento de los vórtices ópticos en un material bidimensional llamado nitruro de boro hexagonal.
Este material soporta ondas de luz inusuales llamadas polaritones de fonones (híbridos de luz y vibraciones atómicas) que se mueven mucho más lentamente que la luz sola y pueden estar estrechamente confinadas. Esto crea intrincados patrones de interferencia llenos de muchos vórtices, lo que permite a los investigadores seguir su movimiento en detalle.
La segunda parte, crucial, fue capturar esas dinámicas en tiempo real. El equipo desplegó un microscopio electrónico especializado de alta velocidad con una resolución espacial y temporal sin precedentes, que registró eventos que se desarrollaban en sólo 3 cuatrillones de segundo.
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Realizaron el experimento muchas veces, grabando cada vez con un ligero retraso en comparación con la ejecución anterior. Al apilar los cientos de imágenes generadas de esta manera, los investigadores crearon un lapso de tiempo de los vórtices mientras se precipitaban hacia otros y se aniquilaban, alcanzando muy brevemente velocidades superluminales en el proceso.
El experimento tuvo lugar en un contexto bidimensional. El siguiente paso, dicen los investigadores, es intentar extender su trabajo a dimensiones superiores para observar comportamientos más complicados. También dicen que las técnicas que desarrollaron podrían ayudar a abordar algunas de las limitaciones actuales de la microscopía electrónica.
“Creemos que estas innovadoras técnicas de microscopía permitirán el estudio de procesos ocultos en física, química y biología”, dice Kaminer, “revelando por primera vez cómo se comporta la naturaleza en sus momentos más rápidos y esquivos”.
La investigación ha sido publicada en Nature.