Fysiker upptäcker hur man gör kvantskum i ett provrör

Ett metamaterial är saker som har konstruerats för att manipulera och styra elektromagnetiska vågor på sätt som inte kan reproduceras i naturligt förekommande material.

Dessa material är periodiska strukturer byggda av små elektroniska komponenter såsom kondensatorer med delad ring och ledningar. Individuellt har dessa komponenter en mild interaktion med passerande em-vågor. Men sammansatta till en repeterande struktur har de ett kraftfullt inflytande på ljuset.

Det finns ingen brist på exotiska saker som metamaterial kan göra: allt från osynlighetskappor till kraftöverföringsledningar. Men en av deras mest spännande tillämpningar är inom kosmologi eftersom de, tro eller ej, kan efterlikna strukturen av rumstid.

Det visar sig att det finns en nära likhet mellan hur ljuset påverkas av rumtidens krökning och hur det påverkas av det elektromagnetiska rymden inuti ett metamaterial. Faktum är att det finns en formell matematisk analogi mellan dessa saker. Så beteendet hos fotoner inuti ett metamaterial är identiskt med deras beteende i rum-tid.

Det är praktiskt eftersom det tillåter ingenjörer att återskapa alla typer av exotiska astrofysiska objekt i labbet. Vi har redan pratat om det första svarta hålet som gjordes med ett metamaterial och sett hur det borde vara möjligt att återskapa Big Bang och till och med hela multiversum.

Nu har vi en annan exotisk idé. En av de ledande tänkarna inom detta område är Igor Smolyaninov vid University of Maryland i College Park. Idag visar han hur man skapar kvantskum inuti ett metamaterial.

Först en snabb bakgrundsinformation om kvantskum. Ingen är helt säker på vilka fysiklagar som styr rumtiden i den minsta skalan, det är över Plancklängden på cirka 10^-35 meter. Vår bästa gissning är dock att kvantmekaniken på något sätt måste segra. Och om så är fallet måste Heisenbergs osäkerhetsprincip spela en viktig roll.

Denna princip innebär att för att upptäcka något om ett område i rymden på den skalan, måste vi använda energier så höga att de skulle skapa ett svart hål. (Det är därför det inte är meningsfullt att tänka på något mindre.)

Nu, eftersom dessa svarta hål kan existera, antyder kvantmekaniken att de existerar och ständigt hoppar in och ut ur existensen på Planck-skalan.

Dessa virtuella svarta hål ger rumtiden en viss märklig struktur på Planck-skalan. I brist på ett bättre ord kallar fysiker det kvantskum.

Så vad har detta med metamaterial att göra? Smolyaninov påpekar att metamaterial endast är transparenta för fotoner med en specifik våglängd när deras dielektriska permittivitet är konstruerad för att vara under något kritiskt värde.

Skulle det stiga över detta värde skulle materialet plötsligt bli ogenomskinligt.

Så hans idé är att skapa ett metamaterial där den dielektriska permittiviteten bara blåser detta kritiska värde. Då borde eventuella termiska fluktuationer inuti materialet höja permittiviteten, vilket gör materialet ogenomskinligt i det området.

Så alla fotoner som fångas i den regionen kommer att fångas. De upplever total inre reflektion i vilken infallsvinkel som helst, säger Smolyaninov.

Den regionen är därför en analog till ett svart hål. Och det faktum att dessa svarta hål kommer att springa in och ut ur existensen när temperaturen naturligt fluktuerar betyder att metamaterialet beter sig som kvantskum.

Men det bästa är att denna kvantskumeffekt borde vara enkel att se. Smolyaninov säger att det finns välkända system som befinner sig i denna kritiska tidpunkt mellan transparens och opacitet. Han pekar särskilt på en blandning av anilin och cyklohexan som är oblandbar under 35 grader C. Över denna temperatur blandas dock vätskorna glatt och skapar regioner med olika permittivitet.

Den intressanta effekten uppstår i lagret mellan dem när de blandas, vilket blir helt ogenomskinligt vid den kritiska temperaturen. Men på grund av termiska fluktuationer flimrar små områden ständigt in och ut ur opacitet, och fångar och släpper ljus under processen. Detta beteende är ganska likt beteendet för faktisk fysisk rumtid på Planck-skalan, säger Smolyaninov.

Med andra ord, vid den kritiska temperaturen är detta material analogt med kvantskum.

Smolyninov har faktiskt inte gjort det här experimentet men det finns inget med det som verkar särskilt knepigt. Du kan göra det i en vanlig kolv eller provrör. Faktum är att han avslutar sin uppsats med att säga: Denna effekt verkar vara stor och lätt att observera.

Vilket betyder att fysiker snart kommer att ha sin egen version av kvantskum att leka med i labbet.

Ref: arxiv.org/abs/1101.4625 :Virtuella svarta hål i hyperboliska metamaterial

Dölj