Một nhóm nhà vật lý vừa ghi nhận một hiện tượng đặc biệt trong ánh sáng: có những cấu trúc bên trong nó có thể di chuyển với vận tốc vượt quá tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, kết quả này không phá vỡ các định luật vật lý hiện đại, mà ngược lại còn giúp làm rõ hơn cách ánh sáng vận hành ở cấp độ vi mô.
Hiện tượng được quan sát liên quan đến các “xoáy quang học” (optical vortices), hay còn gọi là những “lỗ tối” trong ánh sáng. Đây là các điểm mà cường độ ánh sáng triệt tiêu hoàn toàn, hình thành khi sóng ánh sáng bị xoắn trong quá trình lan truyền. Dù ánh sáng nhìn bằng mắt thường có vẻ đồng nhất, trên thực tế nó chứa nhiều cấu trúc phức tạp giống như các dòng chảy trong chất lỏng.
Từ những năm 1970, các nhà khoa học đã dự đoán rằng những xoáy này có thể di chuyển nhanh hơn chính sóng ánh sáng bao quanh chúng, tương tự như cách một xoáy nước trong dòng sông có thể di chuyển nhanh hơn dòng chảy tổng thể. Tuy nhiên, việc quan sát trực tiếp hiện tượng này gặp nhiều khó khăn do nó diễn ra ở quy mô cực nhỏ và trong khoảng thời gian cực ngắn.
Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã vượt qua giới hạn này bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử tốc độ cao kết hợp với một vật liệu đặc biệt là boron nitride dạng hai chiều. Vật liệu này cho phép tạo ra các dạng sóng lai giữa ánh sáng và dao động nguyên tử, giúp làm chậm và “nén” ánh sáng lại, từ đó hình thành các mẫu giao thoa chứa nhiều xoáy quang học có thể theo dõi chi tiết.
Clip cho thấy các xoáy quang học di chuyển trong trường ánh sáng
Bằng cách ghi lại hàng trăm hình ảnh với độ trễ thời gian cực nhỏ và ghép lại thành chuỗi chuyển động, nhóm nghiên cứu đã tái hiện được quá trình các xoáy này di chuyển, tiến lại gần nhau và triệt tiêu. Trong khoảnh khắc trước khi biến mất, vận tốc của chúng có thể tăng lên mức vượt quá tốc độ ánh sáng trong chân không.
Dù vậy, hiện tượng này không vi phạm thuyết tương đối. Lý do là các xoáy quang học không mang theo vật chất, năng lượng hay thông tin. Chuyển động “siêu ánh sáng” ở đây thực chất là sự thay đổi hình học của cấu trúc sóng, chứ không phải sự di chuyển vật lý của một đối tượng trong không gian.
Theo ông Ido Kaminer, nhà vật lý tham gia nghiên cứu, phát hiện này cho thấy những quy luật chung có thể áp dụng cho nhiều loại sóng khác nhau, từ âm thanh, chất lỏng cho đến các hệ vật lý phức tạp như siêu dẫn. Đồng thời, phương pháp quan sát mới cũng mở ra khả năng theo dõi các hiện tượng cực nhanh ở cấp độ nano, vốn trước đây gần như không thể ghi nhận trực tiếp.
Nghiên cứu hiện mới được thực hiện trong môi trường hai chiều, và bước tiếp theo là mở rộng sang các hệ phức tạp hơn để hiểu rõ hơn về hành vi của những cấu trúc này. Dù còn nhiều câu hỏi cần giải đáp, kết quả lần này cho thấy một điều quan trọng: ngay cả trong những giới hạn tưởng chừng tuyệt đối như tốc độ ánh sáng, vẫn tồn tại những hiện tượng đặc biệt – miễn là chúng không mang theo thông tin hay năng lượng.
Nguyễn Hải
