Há mais de 50 anos, o físico Sir Roger Penrose propôs uma grande ideia: nas condições certas, seria possível extrair energia de um buraco negro em rápida rotação. Segundo seu conceito, uma partícula que entra na ergosfera de um buraco negro, região onde o espaço-tempo é esticado devido à rotação do objeto, pode se dividir em duas. Um fragmento cairá no buraco negro e o outro escapará, consumindo mais energia que a partícula original. O físico Yakov Zieldovich posteriormente expandiu esse conceito, prevendo que as ondas que interagem com um objeto que gira rápido o suficiente também podem ganhar energia e se tornar mais fortes.
Agora, pesquisadores do Centro de Pós-Graduação para Estudos de Pesquisa Avançados da CUNY (CUNY ASRC) demonstraram uma abordagem experimental inspirada nessas teorias de longa data. Lançamento de diário Naturezaa equipe mostrou que a amplificação das ondas pode ser alcançada com um dispositivo que simula rotação extrema sem rotação física.
A rotação sintética recria a física extrema
Em vez de girar mecanicamente o objeto, os pesquisadores criaram um dispositivo de radiofrequência cujas propriedades mudam rapidamente tanto no espaço quanto no tempo. Este sistema cuidadosamente projetado cria a ilusão de rotação ultrarrápida, alcançando velocidades de rotação efetivas muito além das que os sistemas mecânicos convencionais podem alcançar. Ao substituir o movimento físico pela rotação sintética, os pesquisadores superaram problemas que limitaram a pesquisa experimental na física da rotação extrema durante décadas.
“Nossa abordagem facilita um novo método de interação onda-matéria, no qual ondas com propriedades rotacionais selecionadas extraem energia do spin sintético gerado pelo tempo, criando uma forma de amplificação seletiva de banda larga”, disse a pesquisadora principal Andrea Alou, Professora Emérita do Einstein e Professora de Física no Centro de Pós-Graduação CUNY e Diretora Fundadora da CUNY ASRC Photonics Initiative.
O autor principal, Hadiseh Nasari, pós-doutorado na Iniciativa Fotônica da CUNY ASRC, disse que o experimento transforma um conceito teórico de longa data em uma ferramenta prática de pesquisa.
“Este experimento bem-sucedido leva ideias sobre dinâmica rotacional extrema da teoria à prática e cria uma plataforma experimental versátil para estudar uma ampla gama de fenômenos na interseção da astrofísica, física das ondas e ciência quântica”, disse Nasari. “O trabalho tem implicações para os avanços na ciência básica e nas comunicações, óptica e fotônica.”
Como funcionou o experimento
Os pesquisadores se propuseram a responder a uma questão fundamental: as ondas eletromagnéticas que interagem com um dispositivo completamente estacionário podem se comportar como se estivessem colidindo com um objeto girando em velocidade ultrarrápida e extrair energia desse movimento sintético?
Para o estudo, eles construíram um anel de ressonadores eletrônicos cujas propriedades foram rapidamente ajustadas em uma sequência cuidadosamente sincronizada. Embora o equipamento em si nunca tenha se movido, essas mudanças observadas criaram um padrão de movimento ao redor do anel. Como resultado, as ondas eletromagnéticas pareciam que o sistema estava girando a uma velocidade incomum.
“Ondas com as características rotacionais apropriadas extraíram energia do sistema e amplificaram, reproduzindo a física básica do processo Penrose-Zel’dovich”, disse o co-autor Hedi Moussa, ex-aluno de pós-graduação da CUNY ASRC Photonics Initiative. “Nossa abordagem depende de metamateriais projetados para controlar a propagação das ondas.”
Aplicações potenciais além da física dos buracos negros
Como a rotação sintética pode imitar movimentos que excedem a velocidade da luz, os investigadores têm agora uma plataforma laboratorial controlada para estudar regimes físicos que de outra forma seriam impossíveis de estudar diretamente. O trabalho cria novas oportunidades para pesquisas em física extrema e aponta para avanços futuros em comunicações sem fio, óptica, fotônica e tecnologia quântica.
Os investigadores observam que será necessário mais trabalho 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 de controle da luz, processamento de informações e estudo do comportamento de ondas inspiradas em algumas das condições mais extremas do universo.
A pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Defesa dos EUA, pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA e pela Fundação Simons.
