Há mais de 50 anos, o físico Sir Roger Penrose propôs uma ideia notável: nas condições certas, poderia ser possível extrair energia de buracos negros em rotação rápida. Em sua teoria, uma partícula que entra na ergosfera de um buraco negro, região onde o espaço-tempo é arrastado pela rotação do objeto, pode se dividir em duas. Um fragmento cairá no buraco negro e o outro escapará com mais energia que a partícula original. Mais tarde, o físico Yakov Zel’dovich expandiu esta ideia, prevendo que ondas girando rápido o suficiente com um objeto também poderiam ganhar energia e se expandir.
Agora, pesquisadores do Advanced Science Research Center do CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) demonstraram uma abordagem experimental inspirada nessas teorias de longa data. Redação de diário a naturezaA equipe mostrou que a amplificação das ondas pode ser alcançada usando um dispositivo que simula rotação extrema sem girar fisicamente.
A rotação sintética recria a física extrema
Em vez de girar um objeto mecanicamente, os pesquisadores criaram um dispositivo de radiofrequência cujas propriedades mudam rapidamente no espaço e no tempo. Este sistema cuidadosamente projetado cria a ilusão de rotação ultrarrápida, atingindo velocidades de rotação efetivas muito mais altas do que os sistemas mecânicos convencionais podem alcançar. Ao substituir o movimento físico pela rotação artificial, os pesquisadores superam desafios que limitaram os estudos experimentais da física rotacional extrema por décadas.
“Nossa abordagem facilita um novo método de interação onda-matéria em que ondas com características de spin selecionadas extraem energia de spins sintéticos projetados no tempo, criando uma forma de amplificação seletiva de banda larga, “disse o investigador principal Andrea Alu, Professor Distinto e Professor Einstein e diretor do Centro de Física Gradu da CUNY. Iniciativa Fotônica da ASRC.
O autor principal, Hadiseh Nasari, pesquisador de pós-doutorado na Iniciativa Fotônica da CUNY ASRC, disse que o experimento transforma uma ideia teórica de longa data em uma ferramenta prática de pesquisa.
“Este experimento bem-sucedido transfere ideias sobre dinâmica rotacional extrema da teoria para a prática e cria uma plataforma experimental versátil para explorar uma ampla gama de fenômenos na intersecção da astrofísica, física das ondas e ciência quântica”, disse Nasari. “O trabalho tem implicações para a ciência básica e avanços nas comunicações, óptica e fotônica.”
Como funcionou o teste
Os pesquisadores decidiram responder a uma questão fundamental: as ondas eletromagnéticas que interagem com um dispositivo completamente estacionário podem se comportar como se encontrassem um objeto girando em alta velocidade e extrair energia desse movimento artificial?
Para investigar, eles construíram um anel de ressonadores eletrônicos cujas propriedades foram rapidamente ajustadas em uma sequência cuidadosamente sincronizada. Embora o hardware em si nunca tenha sido movido, essas mudanças periódicas criaram um padrão de deslocamento ao redor do anel. Como resultado, as ondas eletromagnéticas fizeram com que o sistema parecesse girar a velocidades extraordinárias.
“Ondas com propriedades rotacionais apropriadas extraem energia do sistema e são amplificadas, reproduzindo a física essencial do processo Penrose-Zel’dovich, “disse o co-autor Hadi Musa, ex-aluno de doutorado na CUNY ASRC Photonics Initiative. “Nossa abordagem depende de metamateriais projetados para controlar como as ondas se propagam.”
Aplicações potenciais além da física dos buracos negros
Como a rotação sintética pode simular movimentos além da velocidade da luz, os pesquisadores têm agora uma plataforma laboratorial controlada para explorar regimes físicos que de outra forma seriam impossíveis de estudar diretamente. O trabalho abre novas oportunidades para a investigação da física extrema, ao mesmo tempo que aponta para avanços futuros nas comunicações sem fio, óptica, fotônica e tecnologia quântica.
Os investigadores observam que será necessário trabalho adicional antes que estas ideias possam ser traduzidas em dispositivos práticos. Eles também acreditam que os mesmos princípios podem ser aplicados a sistemas fotônicos e quânticos, abrindo novas possibilidades para controlar a luz, processar informações e estudar o comportamento das ondas induzidas por alguns dos ambientes extremos do universo.
A pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Defesa dos EUA, pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA e pela Fundação Simons.
