Физики впервые реализовали идею Пенроуза: энергия добыта из иллюзии сверхсветового движения

Метаматериал имитирует движение быстрее скорости света и усиливает электромагнитные волны, отбирая энергию у синтетического пространства-времени

Группа физиков из Центра перспективных научных исследований (ASRC) Городского университета Нью-Йорка создала установку, которая для электромагнитных волн неотличима от объекта, вращающегося быстрее скорости света. Эксперимент, опубликованный в Nature, впервые выводит из области чистой теории механизм Пенроуза–Зельдовича: процесс, при котором вращающееся тело отдаёт энергию волне, усиливая её.

Принцип восходит к идее Роджера Пенроуза: частица, попадающая в эргосферу чёрной дыры (между горизонтом событий и пределом статичности), может расщепиться так, что одна половина упадёт за горизонт событий, а вторая покинет окрестности чёрной дыры с энергией большей, чем у исходной частицы. Яков Зельдович обобщил механизм и показал, что любой объект, вращающийся с достаточно высокой скоростью, способен передавать энергию падающей на него волне. Прямая проверка долго оставалась невозможной: механически раскрутить тело до нужных скоростей нельзя.

Команда под руководством Андреа Алу (Andrea Alu) обошла ограничение, заменив физическое вращение синтетическим движением — результатом пространственно-временной модуляции среды. Установка представляет собой кольцо из нескольких резонаторов, свойства которых меняются во времени по строго выверенной программе, заставляя волну вести себя так, будто она распространяется внутри стремительно вращающегося объекта. Само устройство неподвижно, но бегущий по кольцу модуляционный паттерн не скован механическими пределами, поэтому эффективная скорость вращения может достигать сверхсветовых значений.

Когда эффективная скорость превышает скорость света, в зонной структуре такого пространственно-временного кристалла возникают запрещённые щели для углового момента. Именно здесь запускаются параметрические процессы: волны, обладающие подходящими вращательными характеристиками, начинают извлекать энергию из синтетического вращения и усиливаться.

Наш подход создаёт новый метод взаимодействия волны с веществом, при котором волны с выбранными характеристиками извлекают энергию из синтетического вращения, обеспечивая широкополосное избирательное усиление

объяснил Алу

Авторы подчёркивают, что синтетическое движение выводит экстремальную ротационную динамику из области чистой теории в эксперимент. Помимо фундаментального значения для астрофизики, волновой и квантовой физики, техника указывает на прикладные перспективы в коммуникациях, оптике и фотонике. Следующий этап — адаптация метода к практическим задачам обработки информации, включая квантовые системы.