Natuurkundige ontdekt hoe je kwantumschuim maakt in een reageerbuis

Een metamateriaal is materiaal dat is ontworpen om elektromagnetische golven te manipuleren en te sturen op manieren die niet kunnen worden gereproduceerd in natuurlijk voorkomende materialen.

Deze materialen zijn periodieke structuren die zijn opgebouwd uit kleine elektronische componenten zoals splitringcondensatoren en draden. Individueel hebben deze componenten een milde interactie met passerende em-golven. Maar samengevoegd tot een herhalende structuur, hebben ze een krachtige invloed op licht.

Er is geen tekort aan exotische dingen die metamaterialen kunnen doen: alles van onzichtbaarheidsmantels tot hoogspanningslijnen. Maar een van hun meest opwindende toepassingen is in de kosmologie, omdat ze, geloof of niet, de structuur van ruimtetijd kunnen nabootsen.

Het blijkt dat er een sterke overeenkomst is tussen de manier waarop licht wordt beïnvloed door de kromming van de ruimtetijd en de manier waarop het wordt beïnvloed door de elektromagnetische ruimte in een metamateriaal. In feite is er een formele wiskundige analogie tussen deze dingen. Het gedrag van fotonen in een metamateriaal is dus identiek aan hun gedrag in ruimte-tijd.

Dat is handig, want het stelt ingenieurs in staat om allerlei exotische astrofysische objecten in het lab na te maken. We hebben het al gehad over het eerste zwarte gat gemaakt met behulp van een metamateriaal en hebben gezien hoe het mogelijk zou moeten zijn om de oerknal en zelfs hele multiversums na te bootsen.

Nu hebben we een ander exotisch idee. Een van de leidende denkers op dit gebied is Igor Smolyaninov van de University of Maryland in College Park. Vandaag laat hij zien hoe je kwantumschuim maakt in een metamateriaal.

Eerst een korte achtergrond over kwantumschuim. Niemand weet precies welke wetten van de fysica de ruimtetijd beheersen op de kleinste schaal, dat is meer dan de Planck-lengte van ongeveer 10^-35 meter. Onze beste gok is echter dat de kwantummechanica op de een of andere manier moet zegevieren. En als dat het geval is, dan moet het onzekerheidsprincipe van Heisenberg een belangrijke rol spelen.

Dit principe houdt in dat om iets over een gebied in de ruimte op die schaal te ontdekken, we energieën zouden moeten gebruiken die zo hoog zijn dat ze een zwart gat zouden creëren. (Daarom heeft het geen zin om aan iets kleiners te denken.)

Omdat deze zwarte gaten kunnen bestaan, suggereert de kwantummechanica dat ze bestaan, voortdurend in en uit bestaand op de Planck-schaal.

Deze virtuele zwarte gaten geven ruimtetijd een bepaalde vreemde structuur op de Planck-schaal. Bij gebrek aan een beter woord noemen natuurkundigen het kwantumschuim.

Dus wat heeft dit te maken met metamaterialen? Smolyaninov wijst erop dat metamaterialen alleen transparant zijn voor fotonen met een specifieke golflengte wanneer hun diëlektrische permittiviteit onder een kritische waarde ligt.

Mocht het boven deze waarde uitkomen, dan zou het materiaal plotseling ondoorzichtig worden.

Dus zijn idee is om een ​​metamateriaal te maken waarin de diëlektrische permittiviteit net deze kritische waarde overschrijdt. Dan zouden eventuele thermische fluctuaties in het materiaal de permittiviteit moeten verhogen, waardoor het materiaal in dat gebied ondoorzichtig wordt.

Dus alle fotonen die in dat gebied worden gevangen, worden opgesloten. Ze ervaren totale interne reflectie bij elke invalshoek, zegt Smolyaninov.

Dat gebied is dus een analoog van een zwart gat. En het feit dat deze zwarte gaten in en uit zullen springen als de temperatuur van nature fluctueert, betekent dat het metamateriaal zich gedraagt ​​als kwantumschuim.

Maar het beste is dat dit kwantumschuimeffect eenvoudig te zien moet zijn. Smolyaninov zegt dat er bekende systemen zijn die zich op dit kritieke kruispunt tussen transparantie en ondoorzichtigheid bevinden. Hij wijst in het bijzonder op een mengsel van aniline en cyclohexaan dat onder de 35 ° C niet mengbaar is. Boven deze temperatuur mengen de vloeistoffen zich echter goed, waardoor gebieden met verschillende permittiviteit ontstaan.

Het interessante effect treedt op in de laag ertussen tijdens het mengen, die bij de kritische temperatuur volledig ondoorzichtig wordt. Maar vanwege thermische fluctuaties flikkeren kleine regio's voortdurend in en uit ondoorzichtigheid, waarbij ze licht opsluiten en vrijgeven in het proces. Dit gedrag lijkt veel op het gedrag van de werkelijke fysieke ruimtetijd op de Planck-schaal, zegt Smolyaninov.

Met andere woorden, bij de kritische temperatuur is dit spul analoog aan kwantumschuim.

Smolyninov heeft dit experiment niet echt gedaan, maar er is niets dat bijzonder lastig lijkt. Je zou het in een gewone fles of reageerbuis kunnen doen. In feite eindigt hij zijn artikel met de woorden: Dit effect lijkt groot en gemakkelijk waar te nemen.

Wat betekent dat natuurkundigen binnenkort hun eigen versie van kwantumschuim zullen hebben om mee te spelen in het laboratorium.

Referentie: arxiv.org/abs/1101.4625 :Virtuele zwarte gaten in hyperbolische metamaterialen

zich verstoppen