Bild https://asrc.gc.cuny.edu Konstnärlig avbildning av Penrose-superstrålning som innebär att elektromagnetiska vågor med utvalda rotationsmönster förstärks när de interagerar med ett system som verkar rotera i ljushastighet. (Kredit: Dalila Pasotti och Hadiseh Nasari).
Sir Roger Penrose föreställde sig för mer än femtio år sedan ett scenario där energi kunde utvinnas från ett svart hål som snurrar i extrem hastighet. Han föreslog att en partikel som går in i sin ergosfär innebärande ett område utanför händelsehorisonten (Händelsehorisonten är den såkallade ytan kring ett svart hål, som utgör gränsen mellan hålets innandöme och omvärlden. Händelsehorisonten markerar gränslinjen för platsen där eftersom ingenting, vare sig ljus eller materia, som befinner sig innanför händelsehorisonten kan undkomma utan snart dras det som finns där in i det svarta hålet.) på ett roterande svart hål, där rymdtiden dras med i rotationen och energi teoretiskt kan utvinnas. En del kunde falla in i det svarta hålet medan den andra delen undkom och bar på mer energi än den ursprungliga partikeln.
Med utgångspunkt i denna teori förutspådde fysikern Yakov Zel'dovich senare att en våg som interagerar med ett tillräckligt snabbt, roterande objekt kan utvinna energi från det och denna kan förstärkas.
Inspirerade av denna teoretiska konstruktion har forskare vid Advanced Science Research Center at the CUNY Graduate Center 85 St. Nicholas Terrace, New York, (CUNY ASRC) publicerat en artikel i Nature som visar ett nytt tillvägagångssätt för vågförstärkning genom interaktion med roterande kroppar (har ej hittat denna artikel).
Istället för att mekaniskt rotera materia konstruerade teamet en radiofrekvensenhet med egenskaper modulerade i rum och tid för att efterlikna spinn. Enheten skapar en syntetisk form av ultrasnabb rotation som möjliggör tillgång till rotationshastighet långt bortom vad som kan uppnås mekaniskt vilket gör det möjligt för forskare att övervinna begränsningar som länge har hindrat experimentella studier av ultrasnabb rotationsdynamik.
"Vår metod underlättar en ny metod för våg–materia-interaktion där vågor med utvalda rotationsegenskaper utvinner energi från syntetisk tidskonstruerad rotation, vilket ger en form av bredbandsselektiv förstärkning," beskriver huvudforskaren Andrea Alù, Distinguished Professor och Einstein-professor i fysik vid CUNY Graduate Center samt grundande direktör för CUNY ASRC:s Photonics Initiative.
"Detta framgångsrika experiment flyttar idéer om extrem rotationsdynamik från teori till praktik och skapar en mångsidig experimentell plattform för att utforska ett brett spektrum av fenomen i skärningspunkten mellan astrofysik, vågfysik och kvantvetenskap," beskriver huvudförfattaren Hadiseh Nasari, postdoktoral forskare vid CUNY ASRC:s Photonics Initiative. "Arbetet har betydelse för framsteg inom grundforskning samt inom kommunikation, optik och fotonik."
I kärnan av teamets arbete fanns en grundläggande fråga: Kan elektromagnetiska vågor som skickas till en kvarvarande enhet fortfarande bete sig som om de interagerade med ett objekt som roterar i ultrahöga hastigheter och utvinna energi från denna form av syntetisk rörelse?
För att besvara frågan byggde forskarna ett ringformat nätverk av elektroniska resonatorer (en enhet, ett objekt eller ett system som svänger (oscillerar) med en naturligt högre amplitud vid vissa specifika frekvenser, så kallade resonansfrekvenser) vars egenskaper snabbt modulerades i en noggrant tajmad sekvens vilket skapade ett färdmönster runt ringen. Även om enheten i sig inte rörde sig gjorde färdmönstret att de elektromagnetiska vågorna uppfattade systemet som roterande i ultrahög hastighet.
"Vågor med lämpliga rotationsegenskaper extraherade energi från systemet och blev förstärkta, vilket återgav den essentiella fysiken i Penrose–Zel'dovich-processen," beskriver medförfattaren Hady Moussa, tidigare doktorand vid CUNY ASRC Photonics Initiative. "Vår metod bygger på konstruerade metamaterial som är designade för att kontrollera hur vågor fortplantar sig.
Syntetisk rotations förmåga att simulera rörelser bortom ljusets hastighet ger forskare ett kraftfullt sätt att studera extrema tillstånd i en kontrollerad laboratoriemiljö. Teamets prestation öppnar en ny experimentell lekplats för att undersöka fysik som annars skulle vara otillgänglig och ger anmärkningsvärda möjligheter för trådlös kommunikation samt klassiska och kvantoptikapplikationer.
Framöver måste resultaten anpassas i praktisk teknik, och samma koncept kan utvidgas till fotoniska och kvantplattformar, vilket möjliggör nya sätt att manipulera ljus, bearbeta information och undersöka vågfenomen inspirerade av några av universums mest extrema miljöer.
Forskningen stöddes av USA:s försvarsdepartement, USA:s National Science Foundation och Simons Foundation.
Advanced Science Research Center vid CUNY Graduate Center lyfter vetenskaplig forskning och utbildning vid CUNY och bortom genom initiativ inom miljövetenskap, nanovetenskap, neurovetenskap, fotonik och strukturell biologi. Centret främjar samarbete mellan etablerade forskare, tidiga forskare och studenter som arbetar över discipliner för att hantera komplexa vetenskapliga frågor och samhällsutmaningar.
