Fiziķis atklāj, kā izveidot kvantu putas mēģenē

Metamateriāls ir materiāls, kas ir izstrādāts, lai manipulētu un vadītu elektromagnētiskos viļņus tādos veidos, ko nevar reproducēt dabā sastopamos materiālos.

Šie materiāli ir periodiskas struktūras, kas veidotas no sīkiem elektroniskiem komponentiem, piemēram, dalīto gredzenu kondensatoriem un vadiem. Atsevišķi šiem komponentiem ir viegla mijiedarbība ar garāmejošiem viļņiem. Bet samontēti atkārtotā struktūrā, tiem ir spēcīga ietekme uz gaismu.

Netrūkst eksotisku lietu, ko spēj paveikt metamateriāli: viss, sākot no neredzamības apmetņiem līdz elektropārvades līnijām. Bet viens no viņu aizraujošākajiem lietojumiem ir kosmoloģijā, jo, ticiet vai nē, tie var atdarināt telpas laika struktūru.

Izrādās, ka pastāv liela līdzība starp veidu, kā gaismu ietekmē telpas laika izliekums, un veidu, kā to ietekmē elektromagnētiskā telpa metamateriālā. Faktiski starp šīm lietām pastāv formāla matemātiska līdzība. Tātad fotonu uzvedība metamateriālā ir identiska to uzvedībai telpā-laikā.

Tas ir ērti, jo tas ļauj inženieriem laboratorijā atjaunot visu veidu eksotiskus astrofiziskus objektus. Mēs jau runājām par pirmo melno caurumu, kas izveidots, izmantojot metamateriālu, un redzējām, kā vajadzētu būt iespējai atjaunot Lielo sprādzienu un pat veselus multiversus.

Tagad mums ir vēl viena eksotiska ideja. Viens no vadošajiem domātājiem šajā jomā ir Igors Smoļaņinovs Merilendas Universitātē Koledžparkā. Šodien viņš parāda, kā izveidot kvantu putas metamateriālā.

Pirmkārt, īss fons par kvantu putām. Neviens nav īsti pārliecināts, kādi fizikas likumi nosaka telpas laiku vismazākajā mērogā, kas pārsniedz Planka garumu, kas ir aptuveni 10^-35 metri. Tomēr mūsu labākais minējums ir tāds, ka kvantu mehānikai kaut kādā veidā ir jādominē. Un, ja tas tā ir, Heizenberga nenoteiktības principam ir jāspēlē svarīga loma.

Šis princips nozīmē, ka, lai atklātu kaut ko par kosmosa reģionu tādā mērogā, mums būtu jāizmanto tik liela enerģija, ka tās radītu melno caurumu. (Tāpēc nav jēgas domāt par kaut ko mazāku.)

Tagad, tā kā šie melnie caurumi var pastāvēt, kvantu mehānika liek domāt, ka tie pastāv, nepārtraukti lecot iekšā un ārā Planka skalā.

Šie virtuālie melnie caurumi piešķir telpai zināmu dīvainu struktūru Planka skalā. Labāka vārda trūkuma dēļ fiziķi to sauc par kvantu putām.

Tātad, kāds tam sakars ar metamateriāliem? Smoļaņinovs norāda, ka metamateriāli ir caurspīdīgi tikai noteikta viļņa garuma fotoniem, ja to dielektriskā caurlaidība ir konstruēta tā, lai tā būtu zemāka par kādu kritisko vērtību.

Ja tas palielināsies virs šīs vērtības, materiāls pēkšņi kļūtu necaurspīdīgs.

Tātad viņa ideja ir izveidot metamateriālu, kurā dielektriskā caurlaidība ir tikai trieciens šai kritiskajai vērtībai. Tad jebkādām termiskām svārstībām materiāla iekšienē vajadzētu paaugstināt caurlaidību, padarot materiālu necaurredzamu šajā reģionā.

Tātad visi fotoni, kas noķerti šajā reģionā, tiks iesprostoti. Viņi piedzīvo pilnīgu iekšējo atspīdumu jebkurā krituma leņķī, saka Smoļaninovs.

Tāpēc šis reģions ir melnā cauruma analogs. Un fakts, ka šie melnie caurumi radīsies un izzudīs, kad temperatūra dabiski svārstās, nozīmē, ka metamateriāls uzvedas kā kvantu putas.

Bet pats labākais ir tas, ka šim kvantu putu efektam vajadzētu būt vienkārši pamanāmam. Smoļaņinovs saka, ka ir labi zināmas sistēmas, kas atrodas šajā kritiskajā krustojumā starp caurspīdīgumu un necaurredzamību. Viņš īpaši norāda uz anilīna un cikloheksāna maisījumu, kas nesajaucas temperatūrā, kas zemāka par 35 grādiem C. Tomēr virs šīs temperatūras šķidrumi laimīgi sajaucas, veidojot reģionus ar atšķirīgu caurlaidību.

Interesants efekts rodas slānī starp tiem, tiem sajaucoties, kas kritiskajā temperatūrā kļūst pilnīgi necaurspīdīgs. Taču termisko svārstību dēļ mazie reģioni nepārtraukti mirgo necaurredzamībā un izzūd, aizturot un izlaižot gaismu šajā procesā. Šī uzvedība ir diezgan līdzīga faktiskā fiziskā telpas laika uzvedībai Planka skalā, saka Smoļaninovs.

Citiem vārdiem sakot, kritiskā temperatūrā šis materiāls ir analogs kvantu putām.

Smoļiņinovs šo eksperimentu faktiski nav veicis, taču tajā nav nekā īpaši sarežģīta. To var izdarīt parastā kolbā vai mēģenē. Patiesībā viņš beidz savu darbu, sakot: Šis efekts šķiet liels un viegli novērojams.

Tas nozīmē, ka drīzumā fiziķiem būs sava kvantu putu versija, ar kuru varēs spēlēties laboratorijā.

Atsauce: arxiv.org/abs/1101.4625 : Virtuālie melnie caurumi hiperboliskajos metamateriālos

paslēpties