Hace más de 50 años, el físico Sir Roger Penrose propuso una idea notable: en las condiciones adecuadas, podría ser posible extraer energía de agujeros negros que giran rápidamente. En su teoría, una partícula que ingresa a la ergosfera de un agujero negro, una región donde el espacio-tiempo es arrastrada por la rotación del objeto, puede dividirse en dos. Un fragmento caerá en el agujero negro y el otro escapará con más energía que la partícula original. Más tarde, el físico Yakov Zel’dovich amplió esta idea y predijo que las ondas que giran lo suficientemente rápido con un objeto también podrían ganar energía y expandirse.
Ahora, investigadores del Centro de Investigación Científica Avanzada del Centro de Graduados de CUNY (CUNY ASRC) han demostrado un enfoque experimental inspirado en esas teorías de larga data. Escritura de diario la naturalezaEl equipo demostró que la amplificación de ondas se puede lograr utilizando un dispositivo que simula una rotación extrema sin girar físicamente.
La rotación sintética recrea la física extrema
En lugar de rotar un objeto mecánicamente, los investigadores crearon un dispositivo de radiofrecuencia cuyas propiedades cambian rápidamente tanto en el espacio como en el tiempo. Este sistema cuidadosamente diseñado crea la ilusión de una rotación ultrarrápida, alcanzando velocidades de rotación efectivas mucho más altas que las que pueden lograr los sistemas mecánicos convencionales. Al reemplazar el movimiento físico con rotación artificial, los investigadores superan desafíos que han limitado los estudios experimentales de física rotacional extrema durante décadas.
“Nuestro enfoque facilita un nuevo método de interacción onda-materia en el que ondas con características de espín seleccionadas extraen energía de espines sintéticos diseñados en el tiempo, creando una forma de amplificación selectiva de banda ancha”, dijo la investigadora principal Andrea Alu, profesora distinguida y profesora Einstein y directora del Centro de Graduación en Física de CUNY. Iniciativa de fotónica de ASRC.
El autor principal, Hadiseh Nasari, investigador postdoctoral de la Iniciativa de Fotónica de CUNY ASRC, dijo que el experimento transforma una idea teórica de larga data en una herramienta de investigación práctica.
“Este exitoso experimento traslada ideas sobre la dinámica rotacional extrema de la teoría a la práctica y crea una plataforma experimental versátil para explorar una amplia gama de fenómenos en la intersección de la astrofísica, la física ondulatoria y la ciencia cuántica”, dijo Nasari. “El trabajo tiene implicaciones para la ciencia básica y los avances en comunicaciones, óptica y fotónica”.
Cómo funcionó la prueba
Los investigadores se propusieron responder una pregunta fundamental: ¿pueden las ondas electromagnéticas que interactúan con un dispositivo completamente estacionario comportarse como si se encontraran con un objeto que gira a gran velocidad y extraer energía de ese movimiento artificial?
Para investigar, construyeron un anillo de resonadores electrónicos cuyas propiedades se ajustaron rápidamente en una secuencia cuidadosamente sincronizada. Aunque el hardware en sí nunca se movió, estos cambios periódicos crearon un patrón de desplazamiento alrededor del anillo. Como resultado, las ondas electromagnéticas hicieron que el sistema pareciera como si estuviera girando a velocidades extraordinarias.
“Las ondas con propiedades rotacionales apropiadas extraen energía del sistema y se amplifican, reproduciendo la física esencial del proceso Penrose-Zel’dovich”, dijo el coautor principal Hadi Musa, ex estudiante de doctorado en la Iniciativa de Fotónica CUNY ASRC. “Nuestro enfoque se basa en metamateriales diseñados para controlar cómo se propagan las ondas”.
Posibles aplicaciones más allá de la física de los agujeros negros
Debido a que la rotación sintética puede simular movimientos más allá de la velocidad de la luz, los investigadores ahora cuentan con una plataforma de laboratorio controlada para explorar regímenes físicos que de otro modo serían imposibles de estudiar directamente. El trabajo abre nuevas oportunidades para investigar la física extrema y al mismo tiempo apunta a avances futuros en comunicaciones inalámbricas, óptica, fotónica y tecnología cuántica.
Los investigadores señalan que será necesario trabajar más antes de que estas ideas puedan traducirse en dispositivos prácticos. También creen que los mismos principios se pueden aplicar a los sistemas fotónicos y cuánticos, abriendo nuevas posibilidades para controlar la luz, procesar información y estudiar el comportamiento de las ondas inducidas por algunos de los entornos extremos del universo.
La investigación contó con el apoyo del Departamento de Defensa de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y la Fundación Simons.
