Confronto tra comportamento gravitazionale e ottico. Credito:V. Smolyaninova et al., doi 10.1117/1.AP.2.5.056001
I metamateriali, strutture nanoingegnerizzate progettate per il controllo e la manipolazione precisi delle onde elettromagnetiche, hanno consentito innovazioni come i mantelli dell'invisibilità e i microscopi a super risoluzione. Utilizzando l'ottica di trasformazione, questi nuovi dispositivi operano manipolando la propagazione della luce nello "spaziotempo ottico, " che può essere diverso dall'effettivo spaziotempo fisico.
Igor Smolyaninov dell'Università del Maryland afferma:"Una delle applicazioni più insolite dei metamateriali era una proposta teorica per costruire un sistema fisico che esibisse un comportamento fisico doppio su piccola scala". Questa proposta è stata recentemente realizzata sperimentalmente dimostrando il comportamento a due tempi (2T) in metamateriali iperbolici a base di ferrofluido da Smolyaninov e da un team di ricercatori della Towson University, guidato da Vera Smolyaninova. Il comportamento 2T osservato ha il potenziale per l'uso nell'ipercalcolo completamente ottico ultraveloce.
fisica 2T
Le familiari tre dimensioni spaziali e una dimensione temporale dello spaziotempo convenzionale trovano un paradigma alternativo nella fisica 2T, che ha due dimensioni spaziali e due temporali. Pioniere attraverso l'indagine teorica e la modellazione dai fisici Paul Dirac e Andrei Sakharov negli anni '60, Lo spazio-tempo 2T è stato esplorato più recentemente da Smolyaninov con Evgenii Narimanov della Purdue University. Il loro modello teorico prevedeva che le onde luminose avrebbero potuto esibire un comportamento 2T nei metamateriali iperbolici.
Metamateriali iperbolici non lineari per un controllo preciso della luce
I metamateriali iperbolici sono estremamente anisotropi, comportandosi come un metallo in una direzione e come un dielettrico nella direzione ortogonale. Introdotto originariamente per migliorare l'imaging ottico, metamateriali iperbolici dimostrano una serie di nuovi fenomeni, come una riflettività molto bassa, conducibilità termica estrema, superconduttività ad alta temperatura, e interessanti analoghi della teoria della gravità.
Smolyaninov spiega che gli analoghi della gravità sono un parallelo matematico casuale:le equazioni matematiche che descrivono la propagazione della luce nei metamateriali iperbolici descrivono anche la propagazione delle particelle nel fisico, o Minkowski, spaziotempo in cui una delle coordinate spaziali si comporta come una "variabile simile al tempo".
Smolyaninov spiega inoltre che gli effetti ottici non lineari "piegano" questo spaziotempo piatto di Minkowski, con conseguente "forza gravitazionale effettiva tra fotoni straordinari". Secondo Smolyaninov, l'osservazione sperimentale della gravità effettiva in un tale sistema dovrebbe consentire l'osservazione dell'emergere della freccia gravitazionale del tempo lungo una direzione spaziale. Insieme al tempo fisico convenzionale, le due variabili temporali guidano l'evoluzione del campo luminoso in un metamateriale iperbolico.
(a) In assenza di campo magnetico esterno, le nanoparticelle di cobalto sono distribuite casualmente all'interno del ferrofluido, ei loro momenti magnetici (indicati dalle frecce rosse) non hanno un orientamento spaziale preferito. (b) L'applicazione del campo magnetico esterno porta alla formazione di nanocolonne (fatte di nanoparticelle) che sono allineate lungo la direzione del campo. La propagazione della luce in un tale metamateriale è descritta matematicamente da due variabili simili al tempo. (c) Schema schematico della geometria sperimentale. Una termocamera viene utilizzata per studiare la propagazione del raggio laser CO2 attraverso il ferrofluido sottoposto a un campo magnetico DC esterno. L'inserto mostra la forma del raggio misurata in assenza del campione di ferrofluido. Due orientamenti del campo magnetico esterno B utilizzati nei nostri esperimenti sono indicati da frecce verdi. La freccia rossa mostra la polarizzazione della luce laser. Credito:V. Smolyaninova et al., doi 10.1117/1.AP.2.5.056001
I progressi sperimentali in questo entusiasmante campo sono stati relativamente lenti fino a poco tempo fa, a causa delle difficoltà associate alle tecniche di nanofabbricazione 3-D necessarie per produrre metamateriali iperbolici non lineari 3-D di grandi volumi. Il team di ricerca ha sviluppato un modo alternativo per fabbricare metamateriali iperbolici 3D non lineari di grandi volumi utilizzando l'autoassemblaggio di nanoparticelle metalliche magnetiche in un ferrofluido sottoposto a un campo magnetico esterno. Smolyaninov spiega, "A causa dell'effetto Kerr ottico non lineare nel forte campo ottico di una CO 2 laser, la luce che si propaga all'interno del ferrofluido mostra infatti pronunciati effetti gravitazionali, portando all'emergere della freccia gravitazionale del tempo."
Come previsto dal precedente lavoro teorico, la dinamica osservata sperimentalmente dei filamenti di luce autofocalizzati può infatti essere descritta matematicamente utilizzando il modello fisico 2T.
Ipercalcolo completamente ottico ultraveloce
Secondo Smolyaninov, l'ipercalcolo ultraveloce completamente ottico comporta la mappatura di un calcolo eseguito durante un determinato periodo di tempo su un calcolo molto più veloce eseguito utilizzando un dato volume spaziale di un metamateriale iperbolico, una possibilità consentita dal comportamento 2T osservato. Smolyaninov osserva che gli schemi di ipercalcolo possono essere utili in applicazioni sensibili al tempo, come il calcolo in tempo reale, controllo del volo, o riconoscimento del bersaglio.
