Художественное изображение сверхизлучения Пенроуза, запечатлевшее момент, когда электромагнитные волны с определённой схемой подключения усиливаются при взаимодействии с системой, чьё вращение достигает сверхсветовой скорости, стало визуальным воплощением давней теоретической концепции. Более полувека назад физик сэр Роджер Пенроуз предложил революционную идею: при определённых условиях из быстро вращающейся чёрной дыры можно извлекать энергию. Согласно его теории, частицы, проникающие в эргосферу — область, где пространство-время увлекается вращением объекта, — способны разделяться на две части. Один фрагмент падает в чёрную дыру, а другой, ускользая, уносит больше энергии, чем исходная частица. Позднее Яков Зельдович расширил это явление, предсказав, что волны, взаимодействующие с достаточно быстро вращающимся объектом, также могут набирать энергию и усиливаться.
Исследователи из Центра перспективных научных исследований при Центре аспирантуры CUNY (CUNY ASRC) продемонстрировали экспериментальный подход, вдохновлённый этими давними теориями. В статье, опубликованной в журнале Nature, команда показала, что усиления волны можно добиться с помощью устройства, имитирующего экстремальное вращение без использования динамической энергии. Вместо механического вращения объекта учёные применили радиочастотное устройство, свойства которого быстро изменяются как в пространстве, так и во времени. Эта тщательно сконструированная система создаёт иллюзию сверхбыстрого вращения, достигая эффективной скорости, значительно превосходящей возможности обычных механических систем. Заменив физическое движение синтетическим вращением, исследователи преодолели проблемы, долгое время ограничивавшие экспериментальные исследования экстремальной физики.
Синтетическое вращение как ключ к экстремальной физике
«Наш подход обеспечивает новый метод взаимодействия волн и материи, в котором волны с выбранными вращениями последовательно извлекают энергию из синтетического, управляемого во времени источника, формируя широкополосное избирательное усиление», — отметил главный исследователь Андреа Алю, заслуженный профессор и профессор физики Эйнштейна в Центре аспирантур CUNY, а также директор-основатель инициатив по фотонике CUNY ASRC. Ведущий автор Хадисе Насари, научный сотрудник тех же инициатив, подчеркнула, что эксперимент превращает давнюю теоретическую схему в практический исследовательский инструмент. «Этот успешный эксперимент переносит идеи об экстремальной вращательной динамике из теоретических концепций и создаёт универсальную экспериментальную платформу для изучения широкого спектра направлений в стиле астрофизики, волновой физики и квантовой науки», — пояснила она. «Эта работа имеет значение для достижений в фундаментальной науке, связи, оптике и фотонике».
Исследователи задались фундаментальным вопросом: могут ли электромагнитные волны, взаимодействующие с полностью неподвижным источником, вести себя так, как будто они сталкиваются с объектом, вращающимся со сверхбыстрой скоростью, и черпать энергию из этого синтетического движения? Для ответа они сконструировали кольцо электронных резонаторов, свойства которого быстро настраивались в точно синхронизированной временной последовательности. Само оборудование не двигалось, однако временные изменения создавали иллюзию движения по кольцу. В результате электромагнитные волны эффективно взаимодействовали с системой так, будто она вращалась с необычайной скоростью. «Волны с постоянным вращением извлекают энергию из системы и усиливаются, воспроизводя основной физический процесс Пенроуза-Зельдовича», — сообщил один из ведущих авторов, Хади Мусса, бывший аспирант инициативы по фотонике CUNY ASRC. «Наш подход основан на инженерных метаматериалах, которые обеспечивают управление распространением волн».
Поскольку синтетическое вращение может имитировать движение, превышающее скорость света, в распоряжении учёных оказалась контролируемая лабораторная платформа для изучения физических режимов, которые иначе невозможно исследовать напрямую. Эта работа открывает новые возможности для изучения экстремальной физики, предоставляя инструмент, способный воспроизводить процессы, ранее доступные лишь в теоретических расчётах и астрофизических наблюдениях.
и, а также указывает на будущие достижения в области беспроводной связи, оптики, фотоники и квантовых технологий.
Исследователи отмечают, что потребуется дополнительная работа, прежде чем эти идеи можно будет воплотить в практические устройства. Они также полагают, что те же самые принципы могут быть применены к фотонным и квантовым системам, открывая новые возможности для управления светом, обработки информации и изучения поведения волн, вдохновленных, как правило, в самых экстремальных средах Вселенной.
Исследование проводилось при поддержке Министерской защиты США, Международного научного фонда США и Фонда Саймонса.