Metamaterialen - nano-geconstrueerde structuren die zijn ontworpen voor nauwkeurige controle en manipulatie van elektromagnetische golven - hebben innovaties mogelijk gemaakt zoals onzichtbaarheidsmantels en superresolutiemicroscopen. Met behulp van transformatie-optica, deze nieuwe apparaten werken door het manipuleren van lichtvoortplanting 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 ​​fysiek systeem te construeren dat op kleine schaal tweevoudig natuurkundig gedrag zou vertonen." Dat voorstel werd onlangs experimenteel gerealiseerd door demonstratie van tweevoudig (2T) gedrag in op ferrovloeistof gebaseerde hyperbolische metamaterialen door Smolyaninov en een team van onderzoekers van Towson University, onder leiding van Vera Smolyaninova. Het waargenomen 2T-gedrag heeft potentieel voor gebruik in 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, die twee ruimtelijke en twee temporele dimensies heeft. Gepionierd door theoretisch onderzoek en modellering door natuurkundigen Paul Dirac en Andrei Sacharov in de jaren zestig, 2T ruimte-tijd werd 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, gedraagt ​​zich als een metaal in één richting en als een diëlektricum in de orthogonale richting. Oorspronkelijk geïntroduceerd om optische beeldvorming te verbeteren, hyperbolische metamaterialen demonstreren een aantal nieuwe fenomenen, zoals een zeer lage reflectiviteit, extreme thermische geleidbaarheid, supergeleiding op hoge temperatuur, 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 platte Minkowski-ruimtetijd "buigen", resulterend in "effectieve zwaartekracht tussen buitengewone fotonen." Volgens Smolyaninov, experimentele observatie van de effectieve zwaartekracht in een dergelijk systeem zou observatie mogelijk moeten maken van het verschijnen van de zwaartekrachtspijl in de tijd langs een ruimtelijke richting. Samen met de conventionele fysieke tijd, de twee tijdachtige variabelen begeleiden de evolutie van het lichtveld in een hyperbolisch metamateriaal.

De experimentele vooruitgang op dit opwindende gebied verliep tot voor kort relatief langzaam, vanwege de problemen in verband met de 3D-nanofabricagetechnieken die nodig zijn om 3D-niet-lineaire hyperbolische metamaterialen met groot volume te produceren. Het onderzoeksteam ontwikkelde een alternatieve manier om 3-D niet-lineaire hyperbolische metamaterialen met een groot volume te fabriceren met behulp van zelfassemblage van magnetische metalen nanodeeltjes in een ferrovloeistof die wordt onderworpen aan een extern magnetisch veld. Smolyaninov legt uit, "Vanwege het niet-lineaire optische Kerr-effect in het sterke optische veld van een CO ₂ laser, licht dat zich in de ferrovloeistof voortplant, vertoont inderdaad uitgesproken zwaartekrachtachtige effecten, wat leidt tot de opkomst van de zwaartekrachtpijl van de tijd."

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

Ultrasnelle volledig optische hypercomputing

Volgens Smolyaninov, ultrasnelle volledig optische hypercomputing omvat het in kaart brengen van een berekening die gedurende een bepaalde periode is uitgevoerd op een veel snellere berekening die wordt uitgevoerd met behulp van een bepaald ruimtelijk volume van een hyperbolisch metamateriaal - een mogelijkheid die mogelijk wordt gemaakt door het waargenomen 2T-gedrag. Smolyaninov merkt op dat hypercomputing-schema's nuttig kunnen zijn in tijdgevoelige toepassingen, zoals realtime computergebruik, vluchtcontrole, of doelherkenning.