Fizyk odkrywa, jak zrobić piankę kwantową w probówce

Metamateriał to materiał zaprojektowany do manipulowania i sterowania falami elektromagnetycznymi w sposób, którego nie można odtworzyć w naturalnie występujących materiałach.

Materiały te to okresowe struktury zbudowane z maleńkich elementów elektronicznych, takich jak kondensatory z dzielonym pierścieniem i przewody. Poszczególne składniki te mają łagodną interakcję z przechodzącymi falami em. Ale połączone w powtarzającą się strukturę, mają potężny wpływ na światło.

Nie brakuje egzotycznych rzeczy, które mogą zrobić metamateriały: od peleryny-niewidki po linie energetyczne. Ale jednym z ich najbardziej ekscytujących zastosowań jest kosmologia, ponieważ, wierz lub nie, mogą naśladować strukturę czasoprzestrzeni.

Okazuje się, że istnieje duże podobieństwo między sposobem, w jaki krzywizna czasoprzestrzeni wpływa na światło, a wpływem elektromagnetycznej przestrzeni wewnątrz metamateriału. W rzeczywistości istnieje między tymi rzeczami formalna matematyczna analogia. Zatem zachowanie fotonów wewnątrz metamateriału jest identyczne z ich zachowaniem w czasoprzestrzeni.

Jest to przydatne, ponieważ pozwala inżynierom odtwarzać w laboratorium wszelkiego rodzaju egzotyczne obiekty astrofizyczne. Mówiliśmy już o pierwszej czarnej dziurze wykonanej przy użyciu metamateriału i widzieliśmy, jak powinno być możliwe odtworzenie Wielkiego Wybuchu, a nawet całych wieloświatów .

Teraz mamy kolejny egzotyczny pomysł. Jednym z czołowych myślicieli w tej dziedzinie jest Igor Smolaninow z Uniwersytetu Maryland w College Park. Dziś pokazuje, jak stworzyć piankę kwantową wewnątrz metamateriału.

Po pierwsze, krótkie wprowadzenie na temat pianki kwantowej. Nikt nie jest do końca pewien, jakie prawa fizyki rządzą czasoprzestrzenią w najmniejszej skali, czyli na długości Plancka około 10^-35 metrów. Jednak najlepiej przypuszczamy, że mechanika kwantowa musi jakoś zwyciężyć. A jeśli tak jest, to zasada nieoznaczoności Heisenberga musi odgrywać ważną rolę.

Zasada ta implikuje, że aby odkryć cokolwiek o regionie przestrzeni na taką skalę, musielibyśmy użyć energii tak wysokich, że stworzyłyby czarną dziurę. (Dlatego nie ma sensu myśleć o czymkolwiek mniejszym.)

Teraz, ponieważ te czarne dziury mogą istnieć, mechanika kwantowa sugeruje, że istnieją, stale pojawiając się i znikając w skali Plancka.

Te wirtualne czarne dziury nadają czasoprzestrzeni pewną dziwną strukturę w skali Plancka. Z braku lepszego słowa fizycy nazywają to pianką kwantową.

Więc co to ma wspólnego z metamateriałami? Smoljaninow wskazuje, że metamateriały są przezroczyste tylko dla fotonów o określonej długości fali, gdy ich przenikalność dielektryczna jest tak skonstruowana, że ​​jest poniżej pewnej krytycznej wartości.

Jeśli wzrośnie powyżej tej wartości, materiał nagle stanie się nieprzezroczysty.

Więc jego pomysł polega na stworzeniu metamateriału, w którym przenikalność dielektryczna po prostu obniża tę krytyczną wartość. Wówczas wszelkie wahania temperatury wewnątrz materiału powinny zwiększyć przenikalność elektryczną, czyniąc materiał w tym obszarze nieprzezroczystym.

Zatem wszelkie fotony złapane w tym regionie zostaną uwięzione. Doznają całkowitego wewnętrznego odbicia pod dowolnym kątem padania, mówi Smolanininow.

Region ten jest zatem odpowiednikiem czarnej dziury. A fakt, że te czarne dziury będą pojawiać się i znikać wraz z naturalnymi wahaniami temperatury, oznacza, że ​​metamateriał zachowuje się jak pianka kwantowa.

Ale najlepsze jest to, że efekt piany kwantowej powinien być łatwy do zobaczenia. Smolaninow mówi, że istnieją dobrze znane systemy, które znajdują się w tym krytycznym punkcie połączenia między przezroczystością a nieprzezroczystością. Wskazuje w szczególności na mieszaninę aniliny i cykloheksanu, która nie miesza się w temperaturze poniżej 35 stopni C. Jednak powyżej tej temperatury ciecze szczęśliwie się mieszają, tworząc regiony o różnej przenikalności.

Ciekawy efekt pojawia się w warstwie między nimi, gdy się mieszają, która w krytycznej temperaturze staje się całkowicie nieprzeźroczysta. Jednak z powodu fluktuacji termicznych małe obszary stale migoczą i znikają z zaczernienia, zatrzymując i uwalniając w tym procesie światło. To zachowanie jest raczej podobne do zachowania rzeczywistej fizycznej czasoprzestrzeni w skali Plancka, mówi Smolianinow.

Innymi słowy, w temperaturze krytycznej ten materiał jest analogiczny do pianki kwantowej.

Smołyninow w rzeczywistości nie przeprowadził tego eksperymentu, ale nie ma w tym nic, co wydaje się szczególnie trudne. Można to zrobić w zwykłej kolbie lub probówce. W rzeczywistości kończy swój artykuł stwierdzeniem: Ten efekt wydaje się być duży i łatwy do zaobserwowania.

Co oznacza, że ​​niedługo fizycy będą mieli własną wersję pianki kwantowej do zabawy w laboratorium.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1101.4625 :Wirtualne czarne dziury w metamateriałach hiperbolicznych

ukryć