Naukowcy wytwarzają „fałszywą grawitację” za pomocą kryształów fotonicznych

Naukowcy zmanipulowali światło, aby zachowywało się tak, jakby działało na nie grawitacja, używając odkształcalnych kryształów fotonicznych, co umożliwiło postęp w optyce i komunikacji 6G.

Manipulowanie zachowaniem światła za pomocą fałszywej grawitacji

Wspólna grupa badaczy manipulowała zachowaniem światła tak, jakby znajdowało się pod wpływem grawitacji. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Przegląd fizyczny które odbędzie się 28 września 2023 r., będzie miało daleko idące implikacje dla świata optyki i materiałoznawstwa oraz będzie miało znaczenie w rozwoju komunikacji 6G.

Koncepcyjny obraz odkształcalnego kryształu fotonicznego i kryształu fotonicznego. Źródło: K. Kitamura i in.

Teoria Einsteina i fałszywa grawitacja

Teoria względności Alberta Einsteina od dawna dowodzi, że droga fal elektromagnetycznych – w tym światła i terahercowych fal elektromagnetycznych – może zostać odchylona przez pola grawitacyjne. Naukowcy przewidzieli niedawno teoretycznie, że odtworzenie skutków grawitacji – czyli pseudograwitacji – jest możliwe poprzez odkształcenie kryształów w obszarze niskiej energii (lub częstotliwości).

„Postanowiliśmy zbadać, czy zniekształcenie sieci w kryształach fotonicznych może powodować efekty pseudograwitacyjne” – powiedziała profesor Kyoko Kitamura z Wyższej Szkoły Inżynierskiej Uniwersytetu Tohoku.

Wyniki konfiguracji eksperymentalnej i symulacji ścieżki wiązki w DPC. Źródło: © K. Kitamura i in.

Rola kryształów fotonicznych

Kryształy fotoniczne mają unikalne właściwości, które umożliwiają naukowcom manipulowanie i kontrolowanie zachowania światła, działając jako „kontrolerzy ruchu” światła w kryształach. Są zbudowane poprzez okresowe ułożenie dwóch lub więcej różnych materiałów o różnych zdolnościach do interakcji i spowalniania światła w regularny, powtarzający się wzór. Ponadto w kryształach fotonicznych zaobserwowano efekty pseudograwitacyjne wynikające ze zmian adiabatycznych.

Kitamura i jej współpracownicy zmodyfikowali kryształy fotoniczne, wprowadzając zniekształcenie sieci: stopniowe zniekształcenie regularnych przestrzeni między pierwiastkami, zakłócając przypominający sieć wzór kryształów protonów. Zmanipulowało to strukturę pasm świetlnych kryształów, w wyniku czego uzyskano zakrzywioną ścieżkę wiązki pośrodku – zupełnie jak wiązka światła przechodząca przez masywne ciało niebieskie, takie jak Czarna dziura.

Wyniki eksperymentów, przy różnicy transmisji pomiędzy portem B i C, wyraźnie pokazują ugięcie wiązki w DPC. Źródło: K. Kitamura i in.

Szczegóły eksperymentu i jego implikacje

W swoim eksperymencie naukowcy wykorzystali odkształcalny krzemowy kryształ fotoniczny o elementarnej stałej sieci wynoszącej 200 mikrometrów i fale terahercowe. Doświadczenia z powodzeniem wykazały ugięcie tych fal.

„Tak jak grawitacja zagina tor obiektów, tak znaleźliśmy sposób na zaginanie światła wewnątrz niektórych materiałów” – dodaje Kitamura. „Sterowanie wiązką w płaszczyźnie w zakresie terahercowym można wykorzystać w komunikacji 6G. Z naukowego punktu widzenia wyniki pokazują, że kryształy fotoniczne mogą wykorzystywać efekty grawitacyjne, otwierając nowe ścieżki w dziedzinie fizyki grawitonu” – powiedział profesor nadzwyczajny Masayuki Fujita z Uniwersytetu w Osace.

Odniesienie: „Diffraction of Electromagnetic Waves by Pseudo-Gravity in Deformable Photonic Crystals” autorstwa Kanji Nanjyo, Yuki Kawamoto, Hitoshi Kitagawa, Daniel Hedland, Masayuki Fujita i Kyoko Kitamura, 28 września 2023 r., Przegląd fizyczny.
doi: 10.1103/PhysRevA.108.033522