Fisico scopre come fare schiuma quantica in una provetta

Un metamateriale è qualcosa che è stato progettato per manipolare e guidare le onde elettromagnetiche in modi che non possono essere riprodotti in materiali naturali.

Questi materiali sono strutture periodiche costituite da minuscoli componenti elettronici come condensatori ad anello diviso e fili. Individualmente, questi componenti hanno una lieve interazione con le onde em passanti. Ma assemblati in una struttura ripetitiva, hanno una potente influenza sulla luce.

Non mancano le cose esotiche che i metamateriali possono fare: di tutto, dai mantelli dell'invisibilità alle linee di trasmissione dell'energia. Ma una delle loro applicazioni più entusiasmanti è nella cosmologia perché, che ci crediate o no, possono imitare la struttura dello spaziotempo.

Si scopre che esiste una stretta somiglianza tra il modo in cui la luce è influenzata dalla curvatura dello spaziotempo e il modo in cui è influenzata dallo spazio elettromagnetico all'interno di un metamateriale. In effetti, c'è un'analogia matematica formale tra queste cose. Quindi il comportamento dei fotoni all'interno di un metamateriale è identico al loro comportamento nello spazio-tempo.

È utile perché consente agli ingegneri di ricreare tutti i tipi di oggetti astrofisici esotici in laboratorio. Abbiamo già parlato del primo buco nero realizzato utilizzando un metamateriale e visto come dovrebbe essere possibile ricreare il Big Bang e persino interi multiversi.

Ora abbiamo un'altra idea esotica. Uno dei principali pensatori in questo settore è Igor Smolyaninov dell'Università del Maryland a College Park. Oggi mostra come creare schiuma quantica all'interno di un metamateriale.

Innanzitutto, un rapido background sulla schiuma quantistica. Nessuno è del tutto sicuro di quali leggi della fisica governino lo spaziotempo sulla scala più piccola, cioè oltre la lunghezza di Planck di circa 10^-35 metri. Tuttavia, la nostra ipotesi migliore è che la meccanica quantistica debba in qualche modo prevalere. E se è così, il principio di indeterminazione di Heisenberg deve svolgere un ruolo importante.

Questo principio implica che per scoprire qualcosa su una regione dello spazio su quella scala, dovremmo usare energie così alte da creare un buco nero. (Ecco perché non ha senso pensare a qualcosa di più piccolo.)

Ora, poiché questi buchi neri possono esistere, la meccanica quantistica suggerisce che esistono, saltando costantemente dentro e fuori dall'esistenza alla scala di Planck.

Questi buchi neri virtuali danno allo spaziotempo una certa strana struttura alla scala di Planck. In mancanza di una parola migliore, i fisici la chiamano schiuma quantistica.

Quindi cosa ha a che fare questo con i metamateriali? Smolyaninov sottolinea che i metamateriali sono trasparenti solo per i fotoni di una lunghezza d'onda specifica quando la loro permittività dielettrica è progettata per essere inferiore a un valore critico.

Se dovesse superare questo valore, il materiale diventerebbe improvvisamente opaco.

Quindi la sua idea è quella di creare un metamateriale in cui la permittività dielettrica sia proprio questo valore critico. Quindi eventuali fluttuazioni termiche all'interno del materiale dovrebbero aumentare la permittività, rendendo il materiale opaco in quella regione.

Quindi tutti i fotoni catturati in quella regione saranno intrappolati. Sperimentano una riflessione interna totale a qualsiasi angolo di incidenza, afferma Smolyaninov.

Quella regione è quindi un analogo di un buco nero. E il fatto che questi buchi neri appariranno e scompariranno mentre la temperatura fluttua naturalmente significa che il metamateriale si comporta come una schiuma quantistica.

Ma la cosa migliore è che questo effetto schiuma quantistica dovrebbe essere semplice da vedere. Smolyaninov afferma che ci sono sistemi ben noti che si trovano in questa congiuntura critica tra trasparenza e opacità. Indica in particolare una miscela di anilina e cicloesano che è immiscibile al di sotto dei 35 gradi C. Al di sopra di questa temperatura, tuttavia, i liquidi si mescolano felicemente, creando regioni con permettività diversa.

L'effetto interessante si verifica nello strato tra di loro mentre si mescolano, che diventa completamente opaco alla temperatura critica. Ma a causa delle fluttuazioni termiche, piccole regioni lampeggiano costantemente dentro e fuori dall'opacità, intrappolando e rilasciando la luce nel processo. Questo comportamento è piuttosto simile al comportamento dello spaziotempo fisico reale sulla scala di Planck, afferma Smolyaninov.

In altre parole, alla temperatura critica questa roba è analoga alla schiuma quantistica.

Smolyninov in realtà non ha fatto questo esperimento, ma non c'è niente che sembri particolarmente complicato. Potresti farlo in una normale fiaschetta o provetta. Infatti, conclude il suo articolo dicendo: Questo effetto sembra essere ampio e facile da osservare.

Il che significa che presto i fisici avranno la loro versione di schiuma quantistica con cui giocare in laboratorio.

Rif: arxiv.org/abs/1101.4625 :Buchi neri virtuali nei metamateriali iperbolici

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