Ljus färdas med en hastighet av cirka 300, 000, 000 meter per sekund som lätta partiklar, fotoner, eller motsvarande elektromagnetiska fältvågor. Experiment ledda av Hrvoje Petek, en R.K. Mellon professor vid institutionen för fysik och astronomi undersökte idéer kring ljusets ursprung, ta ögonblicksbilder av ljus, stoppa ljus och använda det för att ändra egenskaper hos materia.

Petek arbetade med studenter och samarbetspartners Prof. Chen-Bin (Robin) Huang vid National Tsing Hua University i Taiwan, och Atsushi Kubo från Tsukuba University of Japan om experimenten. Deras resultat rapporterades i tidningen, "Plasmonisk topologisk kvasipartikel på nanometer- och femtosekundskalan, "som publicerades i 24 december -numret av Natur tidskrift.

Petek krediterade doktoranden Yanan Dai för hans framsynthet och arbete i processen.

"Upplösningen av forskningen, dock, är det Yanan, som utförde experimenten och gav den teoretiska modelleringen, visat att han var utbildad långt bortom sin professors nivå och tydligt kunde tolka de nanofemto topologiska egenskaperna och interaktionerna mellan optiska fält, " han sa.

Teamet utförde ett ultrasnabbt mikroskopiexperiment, där de fångade grönt ljuspulser på 20 fs (2x10 ^-14 s) varaktighet som sammansatta ljus-elektrondensitetsfluktuationsvågor, känd som ytplasmonpolaritoner, och avbildade deras förökning på en silveryta med ljusets hastighet. Men de gjorde detta med en vridning så att ljusvågorna kom samman från två sidor för att bilda en ljusvirvel där ljusvågor ser ut att cirkulera runt en stationär gemensam kärna som en virvelvind av vågor. De skulle kunna generera en film om hur ljusvågor cirkulerar på deras nanometer (10 ^-9 m) våglängdsskala genom att avbilda elektroner som två ljusfotoner som kommer tillsammans gör att de emitterar från ytan.

Att samla alla sådana elektroner med ett elektronmikroskop bildar bilder där ljuset hade passerat, vilket gör det möjligt för forskarna att ta dess ögonblicksbild. Självklart, om inget är snabbare än ljuset, man kan inte ta dess ögonblicksbild, men genom att skicka in två ljuspulser med sin tidsavskiljning avancerad i 10 ^-16 s steg, de kunde avbilda hur ljusvågor går samman och gör att deras gemensamma amplitud stiger och faller på fasta punkter i rymden och bildar en ljusvirvel på nano (10 ^-9 m)-femto (10 ^-15 s) skala.

Sådana ljusvirvlar bildas när du lyser din röda eller gröna laserpekare på en grov yta och ser en fläckreflektion, men de har också en kosmologisk betydelse. De lätta virvelfälten kan potentiellt orsaka övergångar i den kvantmekaniska fasordningen i material i fast tillstånd, så att den transformerade materialstrukturen och dess spegelbild inte kan överlagras. Med andra ord, känslan av virvelrotationen genererar två material som är topologiskt distinkta.

Petek sa att sådana topologiska fasövergångar ligger i framkant inom fysikforskningen eftersom de anses vara ansvariga för vissa aspekter av universums struktur.

"Till och med naturens krafter inklusive ljus, tros ha framkommit som symmetribrytande övergångar av ett urfält. Således, förmågan att registrera de optiska fälten och plasmoniska virvlar i experimentet öppnar vägen för att utföra ultrasnabba mikroskopistudier av relaterade ljusinitierade fasövergångar i material av kondenserad materia i laboratorieskala, " han sa.