Jämförelse av gravitationellt och optiskt beteende. Kredit:V. Smolyaninova et al., doi 10.1117/1.AP.2.5.056001
Metamaterial - nanokonstruerade strukturer designade för exakt kontroll och manipulation av elektromagnetiska vågor - har möjliggjort sådana innovationer som osynlighetskappor och superupplösningsmikroskop. Med hjälp av transformationsoptik, dessa nya enheter fungerar genom att manipulera ljusutbredning i "optisk rumtid, " som kan skilja sig från den faktiska fysiska rumtiden.
Igor Smolyaninov från University of Maryland säger, "En av de mer ovanliga tillämpningarna av metamaterial var ett teoretiskt förslag att konstruera ett fysiskt system som skulle uppvisa tvågångsfysikbeteende i liten skala." Det förslaget realiserades nyligen experimentellt genom demonstration av tvåtidsbeteende (2T) i ferrovätskebaserade hyperboliska metamaterial av Smolyaninov och ett team av forskare från Towson University, ledd av Vera Smolyaninova. Det observerade 2T-beteendet har potential att användas i ultrasnabb helt optisk hyperdator.
2T fysik
De välbekanta tre rumsliga dimensionerna och en tidsdimension av konventionell rumtid hittar ett alternativt paradigm inom 2T-fysik, som har två rumsliga och två tidsdimensioner. Pionjärer genom teoretisk undersökning och modellering av fysikerna Paul Dirac och Andrei Sacharov på 1960-talet, 2T rymdtid utforskades nyligen av Smolyaninov med Evgenii Narimanov från Purdue University. Deras teoretiska modell förutspådde att ljusvågor kan uppvisa 2T-beteende i hyperboliska metamaterial.
Icke-linjära hyperboliska metamaterial för precisionskontroll av ljus
Hyperboliska metamaterial är extremt anisotropa, beter sig som en metall i en riktning och som ett dielektrikum i den ortogonala riktningen. Ursprungligen introducerades för att förbättra optisk bildbehandling, hyperboliska metamaterial visar ett antal nya fenomen, som mycket låg reflektivitet, extrem värmeledningsförmåga, hög temperatur supraledning, och intressanta tyngdkraftsteorianaloger.
Smolyaninov förklarar att gravitationsanalogerna är en slumpmässig matematisk parallell:de matematiska ekvationerna som beskriver utbredning av ljus i hyperboliska metamaterial beskriver också partikelutbredning i det fysiska, eller Minkowski, rumtid där en av de rumsliga koordinaterna beter sig som en "tidsliknande variabel".
Smolyaninov förklarar vidare att olinjära optiska effekter "böjer" denna platta Minkowski-rumtid, vilket resulterar i "effektiv gravitationskraft mellan extraordinära fotoner." Enligt Smolyaninov, experimentell observation av den effektiva gravitationen i ett sådant system bör möjliggöra observation av uppkomsten av gravitationspilen av tid längs en rumslig riktning. Tillsammans med konventionell fysisk tid, de två tidsliknande variablerna styr utvecklingen av ljusfältet i ett hyperboliskt metamaterial.
(a) I frånvaro av externt magnetfält, koboltnanopartiklar är slumpmässigt fördelade i ferrofluiden, och deras magnetiska moment (som visas med de röda pilarna) har ingen föredragen rumslig orientering. (b) Applicering av externt magnetfält leder till bildning av nanokolonner (gjorda av nanopartiklar) som är inriktade längs fältriktningen. Utbredning av ljus i ett sådant metamaterial beskrivs matematiskt av två tidsliknande variabler. (c) Schematiskt diagram av den experimentella geometrin. En värmekamera används för att studera CO2-laserstrålens utbredning genom ferrofluiden som utsätts för ett externt DC-magnetfält. Insatsen visar den uppmätta strålformen i frånvaro av ferrofluidprovet. Två orienteringar av det externa magnetfältet B som används i våra experiment visas med gröna pilar. Den röda pilen visar laserljuspolarisering. Kredit:V. Smolyaninova et al., doi 10.1117/1.AP.2.5.056001
Experimentella framsteg inom detta spännande område har varit relativt långsamma tills nyligen, på grund av svårigheter förknippade med 3-D nanotillverkningstekniker som är nödvändiga för att producera 3-D ickelinjära hyperboliska metamaterial i stora volymer. Forskargruppen utvecklade ett alternativt sätt att tillverka icke-linjära hyperboliska metamaterial i stora volymer i 3D genom att använda självmontering av magnetiska metalliska nanopartiklar i en ferrofluid som utsätts för ett yttre magnetfält. Smolyaninov förklarar, "På grund av olinjär optisk Kerr-effekt i det starka optiska fältet hos en CO 2 laser, ljus som utbreder sig inuti ferrofluiden uppvisar verkligen uttalade gravitationsliknande effekter, leder till uppkomsten av tidens gravitationspil."
Som förutspåtts av det tidigare teoretiska arbetet, den experimentellt observerade dynamiken hos självfokuserade ljusfilament kan verkligen beskrivas matematiskt med hjälp av 2T-fysikmodellen.
Ultrasnabba helt optiska hyperdatorer
Enligt Smolyaninov, ultrasnabb all-optisk hyperdatorning innebär att kartlägga en beräkning utförd under en given tidsperiod till en mycket snabbare beräkning utförd med en given rumslig volym av ett hyperboliskt metamaterial – en möjlighet som möjliggörs av det observerade 2T-beteendet. Smolyaninov noterar att hyperdatorscheman kan vara användbara i tidskänsliga applikationer, såsom realtidsberäkning, flygkontroll, eller måligenkänning.
