Hyperbolische metamaterialen vertonen fysica met twee ruimtelijke en twee temporele dimensies

Metamaterialen – nano-ontworpen structuren die zijn ontworpen voor nauwkeurige controle en manipulatie van elektromagnetische golven – hebben innovaties mogelijk gemaakt als onzichtbaarheidsmantels en superresolutie-microscopen. Met behulp van transformatie-optica werken deze nieuwe apparaten door de voortplanting van licht te manipuleren in “optische ruimtetijd”, die kan verschillen van de werkelijke fysieke ruimtetijd.

Igor Smolyaninov van de Universiteit van Maryland zegt: “Een van de meer ongebruikelijke toepassingen van metamaterialen was een theoretisch voorstel om een ​​fysisch systeem te construeren dat twee keer fysisch gedrag zou vertonen op kleine schaal.” Dat voorstel werd onlangs experimenteel gerealiseerd door demonstratie van tweevoudig (2T) gedrag in op ferro-vloeistof gebaseerde hyperbolische metamaterialen door Smolyaninov en een team van onderzoekers van de Towson University, geleid door Vera Smolyaninova. Het waargenomen 2T-gedrag heeft potentieel voor gebruik bij ultrasnelle, volledig optische hypercomputing.

2T natuurkunde

De bekende drie ruimtelijke dimensies en één temporele dimensie van conventionele ruimtetijd vinden een alternatief paradigma in de 2T-fysica, dat twee ruimtelijke en twee temporele dimensies heeft. Gepionierd door theoretisch onderzoek en modellering door natuurkundigen Paul Dirac en Andrei Sacharov in de jaren zestig, werd 2T ruimtetijd meer recentelijk onderzocht door Smolyaninov met Evgenii Narimanov van Purdue University. Hun theoretische model voorspelde dat lichtgolven 2T-gedrag zouden kunnen vertonen in hyperbolische metamaterialen.

Niet-lineaire hyperbolische metamaterialen voor nauwkeurige lichtregeling

Hyperbolische metamaterialen zijn extreem anisotroop, gedragen zich als een metaal in één richting en als een diëlektricum in de orthogonale richting. Oorspronkelijk geïntroduceerd om optische beeldvorming te verbeteren, vertonen hyperbolische metamaterialen een aantal nieuwe verschijnselen, zoals zeer lage reflectiviteit, extreme thermische geleidbaarheid, hoge temperatuur supergeleiding en interessante analogen van de zwaartekrachttheorie.

Smolyaninov legt uit dat de zwaartekrachtanalogen een toevallige wiskundige parallel zijn: de wiskundige vergelijkingen die de voortplanting van licht in hyperbolische metamaterialen beschrijven, beschrijven ook de voortplanting van deeltjes in de fysieke, of Minkowski, ruimtetijd waarin een van de ruimtelijke coördinaten zich gedraagt ​​als een ’tijdachtige variabele . ”

Smolyaninov legt verder uit dat niet-lineaire optische effecten deze vlakke Minkowski-ruimtetijd “buigen”, wat resulteert in “effectieve zwaartekracht tussen buitengewone fotonen”. Volgens Smolyaninov zou experimentele waarneming van de effectieve zwaartekracht in een dergelijk systeem het mogelijk moeten maken om de opkomst van de zwaartekrachtpijl van de tijd langs een ruimtelijke richting waar te nemen. Samen met de conventionele fysieke tijd sturen de twee tijdachtige variabelen de evolutie van het lichtveld in een hyperbolisch metamateriaal.

Experimentele vooruitgang in dit opwindende veld was tot voor kort relatief traag, vanwege de moeilijkheden die verband houden met de 3D-nanofabricagetechnieken die nodig zijn om grootschalige 3D niet-lineaire hyperbolische metamaterialen te produceren. Het onderzoeksteam ontwikkelde een alternatieve manier om 3D niet-lineaire hyperbolische metamaterialen met een groot volume te fabriceren met behulp van zelfassemblage van magnetische metallische nanodeeltjes in een ferrofluïdum dat is onderworpen aan een extern magnetisch veld. Smolyaninov legt uit: “Vanwege het niet-lineaire optische Kerr-effect in het sterke optische veld van een CO₂ laser, vertoont licht dat zich voortplant in de ferrofluidum inderdaad uitgesproken zwaartekrachtachtige effecten, wat leidt tot het verschijnen van de zwaartekrachtpijl van de tijd. “

Zoals voorspeld door het eerdere theoretische werk, kan de experimenteel waargenomen dynamica van zelfgerichte lichtfilamenten inderdaad wiskundig worden beschreven met behulp van het 2T-fysica-model.

Ultrasnelle, volledig optische hypercomputing

Volgens Smolyaninov houdt ultrasnelle, volledig optische hypercomputing in dat een berekening die gedurende een bepaalde tijdsperiode is uitgevoerd, in kaart wordt gebracht op een veel snellere berekening die wordt uitgevoerd met een bepaald ruimtelijk volume van een hyperbolisch metamateriaal – een mogelijkheid die mogelijk wordt gemaakt door het waargenomen 2T-gedrag. Smolyaninov merkt op dat hypercomputerschema’s nuttig kunnen zijn in tijdgevoelige toepassingen, zoals real-time computing, vluchtbesturing of doelherkenning.