1574
Понад 50 років тому фізик сер Роджер Пенроуз висунув дивовижну ідею: за правильних умов можна було б видобувати енергію з чорної діри, що швидко обертається. За його концепцією, частинка, яка входить в ергосферу чорної діри — область, де саме́ спацетайм захоплюється обертанням об’єкта, — могла б розділитися надвоє: один фрагмент падає в діру, а інший вилітає, несучи більше енергії, ніж початкова частинка. Пізніше Яків Зельдович передбачив, що й хвилі, взаємодіючи з достатньо швидко обертовим об’єктом, можуть підсилюватися.
Тепер дослідники з Центру передових наукових досліджень при Аспірантурі Міського університету Нью-Йорка (CUNY ASRC) продемонстрували експериментальний підхід, натхненний цими давніми теоріями. У статті в журналі Nature команда показала, що підсилення хвиль можна досягти за допомогою пристрою, який імітує екстремальне обертання, фізично не обертаючись.
Замість того щоб механічно крутити об’єкт, дослідники збудували радіочастотний пристрій, чиї властивості швидко змінюються в просторі й часі. Ця ретельно сконструйована система створює ілюзію надшвидкого обертання, досягаючи ефективних швидкостей, недосяжних для звичайних механічних систем. Замінивши фізичний рух синтетичним, науковці подолали проблеми, що десятиліттями обмежували вивчення екстремальної обертальної фізики.
«Наш підхід уможливлює новий спосіб взаємодії хвиль і матерії, у якому хвилі з певними обертальними властивостями видобувають енергію із синтетичного, «сконструйованого в часі» обертання, породжуючи форму широкосмугового вибіркового підсилення», — пояснив керівник дослідження, професор Андреа Алу. Провідна авторка Гадісе Насарі додала, що експеримент перетворює давню теоретичну концепцію на практичний дослідницький інструмент.
Науковці прагнули відповісти на фундаментальне питання: чи можуть електромагнітні хвилі, взаємодіючи з цілком нерухомим пристроєм, поводитися так, ніби вони зустріли об’єкт, що обертається з надшвидкою швидкістю, і черпати енергію з цього синтетичного руху? Щоб перевірити це, вони збудували кільце електронних резонаторів, властивості яких швидко змінювали в чітко синхронізованій послідовності. Хоча саме́ обладнання не рухалося, ці зміни в часі породжували візерунок, що «біг» навколо кільця, — і хвилі сприймали систему так, ніби вона обертається з надзвичайною швидкістю.
«Хвилі з відповідними обертальними характеристиками видобували енергію із системи й підсилювалися, відтворюючи саму суть процесу Пенроуза-Зельдовича, — зазначив співавтор Гаді Мусса. — Наш підхід спирається на сконструйовані метаматеріали, розроблені так, щоб керувати поширенням хвиль». Оскільки синтетичне обертання здатне імітувати рух швидший за світло, науковці тепер мають контрольовану лабораторну платформу для дослідження фізичних режимів, які інакше вивчати напряму неможливо.
Робота відкриває нові можливості не лише для фундаментальної науки, а й для майбутніх досягнень у бездротовому зв’язку, оптиці, фотоніці та квантових технологіях. Дослідники зазначають, що до практичних пристроїв іще далеко, але вважають, що ті самі принципи можна застосувати до фотонних і квантових систем — для керування світлом, обробки інформації та вивчення поведінки хвиль, натхненної одними з найекстремальніших середовищ Всесвіту. Так абстрактна ідея про чорні діри перетворюється на «настільний» експеримент із цілком земними застосуваннями.
