La lumière voyage à une vitesse d'environ 300, 000, 000 mètres par seconde sous forme de particules légères, photons, ou de manière équivalente comme ondes de champ électromagnétique. Des expériences menées par Hrvoje Petek, un R.K. Le professeur Mellon au Département de physique et d'astronomie a examiné les idées entourant les origines de la lumière, prendre des instantanés de lumière, arrêter la lumière et l'utiliser pour changer les propriétés de la matière.

Petek a travaillé avec des étudiants et des collaborateurs, le professeur Chen-Bin (Robin) Huang de l'Université nationale Tsing Hua de Taiwan, et Atsushi Kubo de l'Université Tsukuba du Japon sur les expériences. Leurs conclusions ont été rapportées dans le journal, "Quartparticule topologique plasmonique aux échelles nanométrique et femtoseconde, " qui a été publié dans le numéro du 24 décembre de La nature magazine.

Petek a remercié l'étudiant diplômé Yanan Dai pour sa prévoyance et son travail dans le processus.

« Le dénouement de la recherche, cependant, est-ce Yanan, qui a réalisé les expériences et fourni la modélisation théorique, a démontré qu'il avait une formation bien au-delà de son niveau de professeur et pouvait interpréter de manière incisive les propriétés topologiques nanofemto et les interactions des champs optiques, " il a dit.

L'équipe a réalisé une expérience de microscopie ultrarapide, où ils ont piégé des impulsions de lumière verte de 20 fs (2x10 ^-14 s) durée sous forme d'ondes composites de fluctuation de la densité d'électrons lumineux, connu sous le nom de polaritons de plasmons de surface, et imagé leur propagation sur une surface argentée à la vitesse de la lumière. Mais ils l'ont fait avec une torsion de sorte que les ondes lumineuses se sont réunies des deux côtés pour former un vortex léger où les ondes lumineuses semblent circuler autour d'un noyau commun stationnaire comme un tourbillon d'ondes. Ils pourraient générer un film sur la façon dont les ondes lumineuses se propagent sur leur nanomètre (10 ^-9 m) échelle de longueur d'onde en imageant les électrons que deux photons lumineux qui se réunissent font émettre à partir de la surface.

La collecte de tous ces électrons avec un microscope électronique forme des images où la lumière est passée, permettant ainsi aux chercheurs de prendre son instantané. Bien sûr, si rien n'est plus rapide que la lumière, on ne peut pas prendre son instantané, mais en envoyant deux impulsions lumineuses avec leur intervalle de temps avancé de 10 ^-16 étapes, ils pourraient imaginer comment les ondes lumineuses se réunissent, provoquant l'augmentation et la diminution de leur amplitude articulaire à des points fixes dans l'espace, formant un vortex lumineux sur le nano (10 ^-9 m)-femto (10 ^-15 s) échelle.

De tels tourbillons de lumière se forment lorsque vous faites briller votre pointeur laser rouge ou vert sur une surface rugueuse et voyez un reflet de moucheture, mais ils ont aussi une signification cosmologique. Les champs de vortex légers peuvent potentiellement provoquer des transitions dans l'ordre des phases de la mécanique quantique dans les matériaux à l'état solide, de telle sorte que la structure matérielle transformée et son image miroir ne peuvent pas être superposées. En d'autres termes, le sens de la rotation du vortex génère deux matériaux topologiquement distincts.

Petek a déclaré que de telles transitions de phase topologiques sont à l'avant-garde de la recherche en physique, car on pense qu'elles sont responsables de certains aspects de la structure de l'Univers.

"Même les forces de la nature, y compris la lumière, sont pensés pour avoir émergé comme des transitions de rupture de symétrie d'un champ primordial. Ainsi, la capacité d'enregistrer les champs optiques et les tourbillons plasmoniques dans l'expérience ouvre la voie à la réalisation d'études microscopiques ultrarapides des transitions de phase initiées par la lumière dans des matériaux de matière condensée à l'échelle du laboratoire, " il a dit.