Comparação do comportamento gravitacional e óptico. Crédito:V. Smolyaninova et al., doi 10.1117 / 1.AP.2.5.056001
Metamateriais - estruturas nanoengenharia projetadas para controle preciso e manipulação de ondas eletromagnéticas - permitiram inovações como mantos de invisibilidade e microscópios de super-resolução. Usando a ótica de transformação, esses novos dispositivos operam manipulando a propagação da luz no "espaço-tempo óptico, "que pode ser diferente do espaço-tempo físico real.
Igor Smolyaninov da Universidade de Maryland diz, "Uma das aplicações mais incomuns dos metamateriais foi uma proposta teórica para construir um sistema físico que exibisse um comportamento físico duplo em escalas pequenas." Essa proposta foi recentemente realizada experimentalmente pela demonstração do comportamento de dois tempos (2T) em metamateriais hiperbólicos baseados em ferro-fluido por Smolyaninov e uma equipe de pesquisadores da Universidade de Towson, liderado por Vera Smolyaninova. O comportamento 2T observado tem potencial para uso em hipercomputação totalmente óptica ultrarrápida.
Física 2T
As familiares três dimensões espaciais e uma dimensão temporal do espaço-tempo convencional encontram um paradigma alternativo na física 2T, que tem duas dimensões espaciais e duas dimensões temporais. Criado por meio de investigação teórica e modelagem pelos físicos Paul Dirac e Andrei Sakharov na década de 1960, O espaço-tempo 2T foi explorado mais recentemente por Smolyaninov com Evgenii Narimanov da Purdue University. Seu modelo teórico previu que as ondas de luz podem exibir comportamento 2T em metamateriais hiperbólicos.
Metamateriais hiperbólicos não lineares para controle de luz de precisão
Metamateriais hiperbólicos são extremamente anisotrópicos, comportando-se como um metal em uma direção e como um dielétrico na direção ortogonal. Introduzido originalmente para melhorar a imagem óptica, metamateriais hiperbólicos demonstram uma série de novos fenômenos, como refletividade muito baixa, condutividade térmica extrema, supercondutividade de alta temperatura, e interessantes análogos da teoria da gravidade.
Smolyaninov explica que os análogos da gravidade são um paralelo matemático coincidente:as equações matemáticas que descrevem a propagação da luz em metamateriais hiperbólicos também descrevem a propagação de partículas no físico, ou Minkowski, espaço-tempo em que uma das coordenadas espaciais se comporta como uma "variável semelhante ao tempo".
Smolyaninov explica ainda que os efeitos ópticos não lineares "dobram" este espaço-tempo plano de Minkowski, resultando em "força gravitacional efetiva entre fótons extraordinários". De acordo com Smolyaninov, a observação experimental da gravidade efetiva em tal sistema deve permitir a observação do surgimento da flecha gravitacional do tempo ao longo de uma direção espacial. Junto com o tempo físico convencional, as duas variáveis semelhantes ao tempo guiam a evolução do campo de luz em um metamaterial hiperbólico.
(a) Na ausência de campo magnético externo, nanopartículas de cobalto são distribuídas aleatoriamente dentro do ferrofluido, e seus momentos magnéticos (que são mostrados pelas setas vermelhas) não têm orientação espacial preferencial. (b) A aplicação de campo magnético externo leva à formação de nanocolunas (feitas de nanopartículas) que são alinhadas ao longo da direção do campo. A propagação da luz em tal metamaterial é matematicamente descrita por duas variáveis semelhantes ao tempo. (c) Diagrama esquemático da geometria experimental. Uma câmera térmica é usada para estudar a propagação do feixe de laser de CO2 através do ferrofluido sujeito a um campo magnético DC externo. A inserção mostra a forma do feixe medido na ausência da amostra de ferrofluido. Duas orientações do campo magnético externo B usado em nossos experimentos são mostradas por setas verdes. A seta vermelha mostra a polarização da luz laser. Crédito:V. Smolyaninova et al., doi 10.1117 / 1.AP.2.5.056001
O progresso experimental neste campo emocionante tem sido relativamente lento até recentemente, devido às dificuldades associadas às técnicas de nanofabricação 3-D necessárias para produzir metamateriais hiperbólicos 3-D não lineares de grande volume. A equipe de pesquisa desenvolveu uma maneira alternativa de fabricar metamateriais hiperbólicos não lineares 3-D de grande volume usando a automontagem de nanopartículas metálicas magnéticas em um ferrofluido submetido a campo magnético externo. Smolyaninov explica, "Devido ao efeito Kerr óptico não linear no forte campo óptico de um CO 2 laser, a luz que se propaga dentro do ferrofluido, de fato, exibe pronunciados efeitos semelhantes à gravidade, levando ao surgimento da flecha gravitacional do tempo. "
Conforme previsto pelo trabalho teórico anterior, a dinâmica observada experimentalmente de filamentos de luz autocentrados pode de fato ser descrita matematicamente usando o modelo de física 2T.
Hipercomputação totalmente ótica ultrarrápida
De acordo com Smolyaninov, a hipercomputação totalmente ótica ultrarrápida envolve o mapeamento de uma computação realizada durante um determinado período de tempo em uma computação muito mais rápida realizada usando um determinado volume espacial de um metamaterial hiperbólico - uma possibilidade possibilitada pelo comportamento 2T observado. Smolyaninov observa que os esquemas de hipercomputação podem ser úteis em aplicativos sensíveis ao tempo, como computação em tempo real, controle de vôo, ou reconhecimento de alvo.
