“Buracos” na luz podem deslocar-se mais depressa do que a própria luz - e já foi observado

Pela primeira vez, físicos conseguiram observar diretamente que certos “buracos” na luz conseguem mover-se a velocidades superiores à da própria luz.

Estas estruturas são conhecidas como singularidades de fase ou vórtices ópticos. Desde a década de 1970, os cientistas antecipavam que, tal como remoinhos num rio podem avançar mais depressa do que a água que os envolve, também os “redemoinhos” num campo luminoso podem ultrapassar a luz em que estão inseridos.

Porque é que isto não viola a relatividade

Este resultado não contraria a relatividade, segundo a qual nada pode viajar mais depressa do que a velocidade da luz. A razão é simples: os vórtices ópticos não transportam massa, energia nem informação. O que “corre” é a geometria do padrão ondulatório - a forma como a fase da onda evolui - e não um objeto físico a atravessar o espaço.

De forma análoga ao caso de uma sombra ou de um ponto luminoso projetado que pode varrer uma superfície muito depressa sem transportar matéria, o movimento aqui observado descreve a dinâmica de uma singularidade matemática no padrão de interferência.

O que é um vórtice óptico (singularidade de fase)

Apesar de a luz parecer uniforme aos nossos olhos, o seu comportamento interno pode ser altamente estruturado e sujeito a perturbações, à semelhança de outros sistemas governados por dinâmica de escoamento. Entre essas perturbações estão as singularidades de fase, que no caso da luz se manifestam como vórtices ópticos.

A luz pode comportar-se como partícula e como onda. Um vórtice óptico forma-se quando a frente de onda se torce durante a propagação, numa espécie de hélice, como um saca-rolhas. No centro exato dessa torção, a onda anula-se a si própria, criando um ponto de intensidade nula - um “buraco” escuro na luz.

A previsão matemática: aceleração extrema antes da aniquilação

Do ponto de vista matemático, entende-se que duas singularidades num determinado referencial tendem a aproximar-se, ganhando velocidade à medida que convergem, até atingirem valores aparentes acima da velocidade da luz no vácuo.

Como explicam os investigadores no artigo, quando singularidades de carga oposta se aproximam, as suas trajetórias no espaço-tempo têm de formar uma curva contínua no ponto de aniquilação, o que força uma aceleração para velocidades sem limite imediatamente antes de se aniquilarem.

Porque era tão difícil ver isto acontecer

Este tipo de comportamento já tinha sido observado noutros sistemas, mas estudá-lo num campo de luz é consideravelmente mais exigente. Apesar de muitos esforços em laboratórios de física, as observações de vórtices ópticos ficaram durante muito tempo condicionadas por limitações instrumentais: a tecnologia disponível não conseguia acompanhar a rapidez com que estes vórtices se formam, se movem e colidem.

Captar o fenómeno “em flagrante” é particularmente desafiante porque decorre em escalas minúsculas de espaço e de tempo - precisamente onde a microscopia eletrónica tem vindo a abrir novas possibilidades.

Vórtices ópticos em nitreto de boro hexagonal: o cenário experimental

Para contornar essas barreiras, Ido Kaminer e a sua equipa registaram o comportamento de vórtices ópticos num material bidimensional chamado nitreto de boro hexagonal.

Este material suporta ondas de luz pouco comuns conhecidas como fónon-polaritões - híbridos entre luz e vibrações atómicas - que se deslocam muito mais lentamente do que a luz “livre” e podem ficar fortemente confinados. Esse confinamento gera padrões de interferência ricos e complexos, repletos de vórtices, o que permitiu seguir o movimento das singularidades com grande detalhe.

Microscopia eletrónica de alta velocidade e interferometria eletrónica (com nitreto de boro hexagonal)

O segundo elemento, decisivo, foi registar estas dinâmicas em tempo real. A equipa recorreu a um microscópio eletrónico de alta velocidade com resolução espacial e temporal sem precedentes, capaz de capturar acontecimentos ao longo de apenas 3 femtossegundos (3 × 10⁻¹⁵ s).

“Esta descoberta revela leis universais da natureza partilhadas por todos os tipos de ondas, desde ondas sonoras e escoamentos de fluidos até sistemas complexos como os supercondutores”, afirma Ido Kaminer, físico no Instituto de Tecnologia de Israel (Technion).

Segundo o investigador, o avanço também oferece uma ferramenta tecnológica valiosa: a possibilidade de cartografar o movimento de fenómenos delicados à nanoescala em materiais, através de um novo método - interferometria eletrónica - que melhora a nitidez das imagens.

Como foi gerada a sequência temporal e quando surgiram velocidades superluminais

A experiência foi repetida muitas vezes, e em cada repetição a aquisição era feita com um ligeiro atraso em relação à anterior. Ao reunir centenas de imagens obtidas desta forma, os investigadores construíram uma sequência temporal onde se vêem os vórtices a avançar rapidamente, a aproximarem-se e, por fim, a aniquilarem-se - com velocidades que, por instantes muito breves, atingem valores superluminais (no sentido geométrico do padrão de fase, não como transporte de informação).

O que isto pode permitir a seguir

O ensaio foi realizado num contexto bidimensional. O passo seguinte, segundo os autores, será tentar estender o trabalho a dimensões mais elevadas, onde se esperam comportamentos mais complexos. Além disso, as técnicas desenvolvidas poderão ajudar a ultrapassar algumas limitações atuais da microscopia eletrónica, sobretudo quando se pretende observar processos extremamente rápidos e discretos.

Há ainda um impacto mais amplo: compreender e medir com precisão a dinâmica de singularidades de fase pode beneficiar o desenho de metamateriais e de dispositivos nanofotónicos, onde padrões de interferência e confinamento de ondas são essenciais para controlar a propagação da luz à nanoescala.

Também no domínio das aplicações, os vórtices ópticos e a estruturação da fase da luz estão ligados a áreas como manipulação ótica, codificação espacial e caracterização fina de materiais. Uma capacidade robusta de “ver” estes vórtices a operar, com resolução temporal extrema, abre caminho a medições mais fiáveis de processos transitórios que antes escapavam aos instrumentos.

“Consideramos que estas técnicas inovadoras de microscopia irão permitir estudar processos ocultos em física, química e biologia”, diz Kaminer, “revelando pela primeira vez como a natureza se comporta nos seus momentos mais rápidos e mais difíceis de captar”.

A investigação foi publicada na revista científica Nature.