Hyperbolske metamaterialer udviser fysik med to rumlige og to tidsmæssige dimensioner

Metamaterialer - nanokonstruerede strukturer designet til præcis kontrol og manipulation af elektromagnetiske bølger - har muliggjort sådanne innovationer som usynlighedskapper og superopløsningsmikroskoper. Ved hjælp af transformationsoptik, disse nye enheder fungerer ved at manipulere lysudbredelse i "optisk rumtid, " som kan være forskellig fra den faktiske fysiske rumtid.

Igor Smolyaninov fra University of Maryland siger, "En af de mere usædvanlige anvendelser af metamaterialer var et teoretisk forslag om at konstruere et fysisk system, der ville udvise to-gang fysikadfærd i små skalaer." Dette forslag blev for nylig realiseret eksperimentelt ved demonstration af to-gang (2T) adfærd i ferro-væske-baserede hyperbolske metamaterialer af Smolyaninov og et team af forskere fra Towson University, ledet af Vera Smolyaninova. Den observerede 2T-adfærd har potentiale til brug i ultrahurtig optisk hypercomputing.

2T fysik

De velkendte tre rumlige dimensioner og en tidsdimension af konventionel rumtid finder et alternativt paradigme i 2T-fysik, som har to rumlige og to tidsmæssige dimensioner. Pioneret gennem teoretisk undersøgelse og modellering af fysikerne Paul Dirac og Andrei Sakharov i 1960'erne, 2T rum-tid blev for nylig udforsket af Smolyaninov sammen med Evgenii Narimanov fra Purdue University. Deres teoretiske model forudsagde, at lysbølger kunne udvise 2T-adfærd i hyperbolske metamaterialer.

Ikke-lineære hyperbolske metamaterialer til præcis lysstyring

Hyperbolske metamaterialer er ekstremt anisotrope, opfører sig som et metal i én retning og som et dielektrikum i den ortogonale retning. Oprindeligt introduceret for at forbedre optisk billeddannelse, hyperbolske metamaterialer viser en række nye fænomener, såsom meget lav reflektivitet, ekstrem varmeledningsevne, høj temperatur superledning, og interessante tyngdekraftsteorianaloger.

Smolyaninov forklarer, at tyngdekraftsanalogerne er en tilfældig matematisk parallel:de matematiske ligninger, der beskriver udbredelse af lys i hyperbolske metamaterialer, beskriver også partikeludbredelse i det fysiske, eller Minkowski, rumtid, hvor en af ​​de rumlige koordinater opfører sig som en "tidslignende variabel".

Smolyaninov forklarer yderligere, at ikke-lineære optiske effekter "bøjer" denne flade Minkowski rumtid, resulterer i "effektiv gravitationskraft mellem ekstraordinære fotoner." Ifølge Smolyaninov, eksperimentel observation af den effektive tyngdekraft i et sådant system skulle muliggøre observation af fremkomsten af ​​tidens gravitationspil langs en rumlig retning. Sammen med konventionel fysisk tid, de to tidslignende variable styrer udviklingen af ​​lysfeltet i et hyperbolsk metamateriale.

Eksperimentelle fremskridt på dette spændende område har været relativt langsom indtil for nylig, på grund af vanskeligheder forbundet med de 3-D nanofabrikationsteknikker, der er nødvendige for at producere 3-D ikke-lineære hyperbolske metamaterialer i store mængder. Forskerholdet udviklede en alternativ måde at fremstille 3-D ikke-lineære hyperbolske metamaterialer i store mængder ved hjælp af selvsamling af magnetiske metalliske nanopartikler i en ferrofluid udsat for eksternt magnetfelt. Smolyaninov forklarer, "På grund af ikke-lineær optisk Kerr-effekt i det stærke optiske felt af en CO ₂ laser, lys, der forplanter sig inde i ferrofluiden, udviser faktisk udtalte tyngdekraftslignende effekter, fører til fremkomsten af ​​tidens gravitationspil."

Som forudsagt af det tidligere teoretiske arbejde, den eksperimentelt observerede dynamik af selvfokuserede lysfilamenter kan faktisk beskrives matematisk ved hjælp af 2T-fysikmodellen.

Ultrahurtig optisk hypercomputing

Ifølge Smolyaninov, ultrahurtig optisk hypercomputing involverer kortlægning af en beregning udført i en given tidsperiode til en meget hurtigere beregning udført ved hjælp af et givet rumligt volumen af ​​et hyperbolsk metamateriale - en mulighed aktiveret af den observerede 2T-adfærd. Smolyaninov bemærker, at hypercomputing-skemaer kan være nyttige i tidsfølsomme applikationer, såsom real-time computing, flyvekontrol, eller målgenkendelse.