Fysiker opdager, hvordan man laver kvanteskum i et reagensglas

Et metamateriale er ting, der er blevet konstrueret til at manipulere og styre elektromagnetiske bølger på måder, der ikke kan reproduceres i naturligt forekommende materialer.

Disse materialer er periodiske strukturer bygget ud af bittesmå elektroniske komponenter såsom split-ring kondensatorer og ledninger. Hver for sig har disse komponenter en mild interaktion med forbigående em-bølger. Men samlet i en gentagende struktur har de en stærk indflydelse på lyset.

Der er ingen mangel på eksotiske ting, som metamaterialer kan gøre: alt fra usynlighedskapper til kraftoverførselsledninger. Men en af ​​deres mest spændende anvendelser er i kosmologi, fordi de, tro eller ej, kan efterligne rumtidens struktur.

Det viser sig, at der er en tæt lighed mellem den måde, lyset påvirkes af rumtidens krumning, og den måde, det påvirkes af det elektromagnetiske rum inde i et metamateriale. Faktisk er der en formel matematisk analogi mellem disse ting. Så opførselen af ​​fotoner inde i et metamateriale er identisk med deres adfærd i rum-tid.

Det er praktisk, fordi det giver ingeniører mulighed for at genskabe alle slags eksotiske astrofysiske objekter i laboratoriet. Vi har allerede talt om det første sorte hul lavet ved hjælp af et metamateriale og set, hvordan det burde være muligt at genskabe Big Bang og endda hele multivers.

Nu har vi en anden eksotisk idé. En af de førende tænkere på dette område er Igor Smolyaninov ved University of Maryland i College Park. I dag viser han, hvordan man skaber kvanteskum inde i et metamateriale.

Først en hurtig baggrundsviden om kvanteskum. Ingen er helt sikker på, hvilke fysiske love der styrer rumtiden på den mindste skala, det er over Planck-længden på omkring 10^-35 meter. Vores bedste gæt er dog, at kvantemekanikken på en eller anden måde skal sejre. Og hvis det er tilfældet, så må Heisenbergs usikkerhedsprincip spille en vigtig rolle.

Dette princip indebærer, at for at opdage noget om et område i rummet på den skala, skal vi bruge energier så høje, at de ville skabe et sort hul. (Derfor giver det ikke mening at tænke på noget mindre.)

Nu, fordi disse sorte huller kan eksistere, antyder kvantemekanikken, at de eksisterer, konstant springer ind og ud af eksistensen på Planck-skalaen.

Disse virtuelle sorte huller giver rumtiden en vis mærkelig struktur på Planck-skalaen. I mangel af et bedre ord kalder fysikere det kvanteskum.

Så hvad har dette at gøre med metamaterialer? Smolyaninov påpeger, at metamaterialer kun er gennemsigtige for fotoner af en specifik bølgelængde, når deres dielektriske permittivitet er konstrueret til at være under en eller anden kritisk værdi.

Skulle det stige over denne værdi, ville materialet pludselig blive uigennemsigtigt.

Så hans ide er at skabe et metamateriale, hvori den dielektriske permittivitet bare blæser denne kritiske værdi. Så burde eventuelle termiske udsving inde i materialet øge permittiviteten, hvilket gør materialet uigennemsigtigt i det pågældende område.

Så alle fotoner fanget i det område vil blive fanget. De oplever total intern refleksion ved enhver indfaldsvinkel, siger Smolyaninov.

Denne region er derfor en analog af et sort hul. Og det faktum, at disse sorte huller vil springe ind og ud af eksistensen, når temperaturen naturligt svinger, betyder, at metamaterialet opfører sig som kvanteskum.

Men det bedste er, at denne kvanteskumeffekt burde være ligetil at se. Smolyaninov siger, at der er velkendte systemer, der sidder på dette kritiske tidspunkt mellem gennemsigtighed og uigennemsigtighed. Han peger især på en blanding af anilin og cyclohexan, som er ublandbar under 35 grader C. Over denne temperatur blandes væskerne dog gladeligt og skaber områder med forskellig permittivitet.

Den interessante effekt opstår i laget mellem dem, når de blandes, som bliver helt uigennemsigtigt ved den kritiske temperatur. Men på grund af termiske udsving flimrer små områder konstant ind og ud af opacitet, fanger og frigiver lys i processen. Denne adfærd ligner temmelig opførsel af faktisk fysisk rumtid på Planck-skalaen, siger Smolyaninov.

Med andre ord, ved den kritiske temperatur er dette stof analogt med kvanteskum.

Smolyninov har faktisk ikke lavet dette eksperiment, men der er intet ved det, der virker særligt vanskeligt. Du kan gøre det i en almindelig kolbe eller reagensglas. Faktisk afslutter han sit papir med at sige: Denne effekt ser ud til at være stor og let at observere.

Hvilket betyder, at fysikere snart vil have deres egen version af kvanteskum at lege med i laboratoriet.

Ref: arxiv.org/abs/1101.4625 :Virtuelle sorte huller i hyperbolske metamaterialer

skjule