Comparación de comportamiento gravitacional y óptico. Crédito:V. Smolyaninova et al., doi 10.1117 / 1.AP.2.5.056001
Los metamateriales, estructuras de nanoingeniería diseñadas para el control y la manipulación precisos de las ondas electromagnéticas, han permitido innovaciones tales como capas de invisibilidad y microscopios de superresolución. Usando ópticas de transformación, Estos nuevos dispositivos operan manipulando la propagación de la luz en el "espacio-tiempo óptico, "que puede ser diferente del espacio-tiempo físico real.
Igor Smolyaninov de la Universidad de Maryland dice:"Una de las aplicaciones más inusuales de los metamateriales fue una propuesta teórica para construir un sistema físico que exhibiría un comportamiento físico de dos tiempos a pequeña escala". Esa propuesta se realizó recientemente de forma experimental mediante la demostración del comportamiento de dos tiempos (2T) en metamateriales hiperbólicos ferro-fluidos por Smolyaninov y un equipo de investigadores de la Universidad de Towson, dirigido por Vera Smolyaninova. El comportamiento 2T observado tiene potencial para su uso en hipercomputación totalmente óptica ultrarrápida.
Física 2T
Las conocidas tres dimensiones espaciales y una dimensión temporal del espacio-tiempo convencional encuentran un paradigma alternativo en la física 2T, que tiene dos dimensiones espaciales y dos temporales. Pionero a través de la investigación teórica y el modelado por los físicos Paul Dirac y Andrei Sakharov en la década de 1960, El espacio-tiempo 2T fue explorado más recientemente por Smolyaninov con Evgenii Narimanov de la Universidad de Purdue. Su modelo teórico predijo que las ondas de luz podrían exhibir un comportamiento 2T en metamateriales hiperbólicos.
Metamateriales hiperbólicos no lineales para un control de luz de precisión
Los metamateriales hiperbólicos son extremadamente anisotrópicos, comportándose como un metal en una dirección y como un dieléctrico en la dirección ortogonal. Introducido originalmente para mejorar la imagen óptica, Los metamateriales hiperbólicos demuestran una serie de fenómenos nuevos, como una reflectividad muy baja, conductividad térmica extrema, superconductividad de alta temperatura, e interesantes análogos de la teoría de la gravedad.
Smolyaninov explica que los análogos de la gravedad son un paralelo matemático coincidente:las ecuaciones matemáticas que describen la propagación de la luz en metamateriales hiperbólicos también describen la propagación de partículas en lo físico, o Minkowski, espacio-tiempo en el que una de las coordenadas espaciales se comporta como una "variable similar al tiempo".
Smolyaninov explica además que los efectos ópticos no lineales "doblan" este espacio-tiempo plano de Minkowski, resultando en "fuerza gravitacional efectiva entre fotones extraordinarios". Según Smolyaninov, La observación experimental de la gravedad efectiva en tal sistema debería permitir la observación del surgimiento de la flecha gravitacional del tiempo a lo largo de una dirección espacial. Junto con el tiempo físico convencional, las dos variables temporales guían la evolución del campo de luz en un metamaterial hiperbólico.
(a) En ausencia de campo magnético externo, las nanopartículas de cobalto se distribuyen aleatoriamente dentro del ferrofluido, y sus momentos magnéticos (que se muestran con flechas rojas) no tienen una orientación espacial preferida. (b) La aplicación de un campo magnético externo conduce a la formación de nanocolumnas (hechas de nanopartículas) que están alineadas a lo largo de la dirección del campo. La propagación de la luz en tal metamaterial se describe matemáticamente mediante dos variables similares al tiempo. (c) Diagrama esquemático de la geometría experimental. Se utiliza una cámara térmica para estudiar la propagación del rayo láser de CO2 a través del ferrofluido sometido a un campo magnético externo de CC. El recuadro muestra la forma de haz medida en ausencia de la muestra de ferrofluido. Las flechas verdes muestran dos orientaciones del campo magnético externo B utilizado en nuestros experimentos. La flecha roja muestra la polarización de la luz láser. Crédito:V. Smolyaninova et al., doi 10.1117 / 1.AP.2.5.056001
El progreso experimental en este apasionante campo ha sido relativamente lento hasta hace poco, debido a las dificultades asociadas con las técnicas de nanofabricación 3D necesarias para producir metamateriales hiperbólicos no lineales 3D de gran volumen. El equipo de investigación desarrolló una forma alternativa de fabricar metamateriales hiperbólicos no lineales tridimensionales de gran volumen utilizando el autoensamblaje de nanopartículas metálicas magnéticas en un ferrofluido sometido a un campo magnético externo. Smolyaninov explica:"Debido al efecto Kerr óptico no lineal en el fuerte campo óptico de un CO 2 láser, la luz que se propaga dentro del ferrofluido exhibe efectos pronunciados similares a la gravedad, conduciendo al surgimiento de la flecha gravitacional del tiempo ".
Como predijo el trabajo teórico anterior, De hecho, la dinámica observada experimentalmente de los filamentos de luz autoenfocados puede describirse matemáticamente utilizando el modelo físico 2T.
Hipercomputación totalmente óptica ultrarrápida
Según Smolyaninov, La hipercomputación ultrarrápida totalmente óptica implica mapear un cálculo realizado durante un período de tiempo determinado en un cálculo mucho más rápido realizado utilizando un volumen espacial dado de un metamaterial hiperbólico, una posibilidad habilitada por el comportamiento 2T observado. Smolyaninov señala que los esquemas de hipercomputación pueden ser útiles en aplicaciones urgentes, como la informática en tiempo real, control de vuelo, o reconocimiento de objetivos.
