Los científicos han creado un sistema de energía similar a un agujero negro sin movimiento en el laboratorio, recreando una teoría de 50 años que podría revolucionar la comunicación y la tecnología cuántica del futuro.
Los físicos han recreado con éxito parte de la física extrema de los agujeros negros dentro de un laboratorio mediante la construcción de un dispositivo estacionario que puede simular los efectos de velocidades de rotación imposibles.El logro confirma una idea teórica propuesta hace más de medio siglo por Sir Roger Penrose, quien sugirió que se podría extraer energía de los agujeros negros que giran rápidamente. En lugar de utilizar piezas móviles, los investigadores del Centro de Investigación Científica Avanzada del Centro de Graduados de CUNY (CUNY ASRC) utilizaron circulación artificial para recrear este proceso de energía cósmica en un entorno de laboratorio controlado.El descubrimiento, publicado en la revista Nature, traslada una idea de larga data de la ciencia ficción a la física práctica. El modelo de laboratorio evita las limitaciones físicas de las máquinas mecánicas y puede ayudar a crear nuevas tecnologías en comunicación inalámbrica, óptica avanzada y computación cuántica.
Romper el límite de velocidad del material
En 1969, Penrose sugirió que si una partícula entrara en la ergosfera de un agujero negro, una extraña región donde la rotación del agujero negro arrastra consigo el espacio y el tiempo, la partícula podría dividirse en dos partes. Una parte caerá más allá del punto de retorno, mientras que la otra podrá escapar con más energía que la partícula original.Más tarde, el físico Yakov Zel’dovich amplió esta idea demostrando que la luz y las ondas de radio también pueden ganar energía y volverse más fuertes si rebotan en un objeto que gira a velocidades extremadamente altas.Durante décadas, los científicos no pudieron probar esta idea en el laboratorio utilizando movimiento real porque los materiales sólidos se descomponen bajo las fuerzas extremas necesarias para simular una rotación similar a la de un agujero negro. Para superar este problema, el equipo de CUNY ASRC creó un anillo de radiofrecuencia completamente estable hecho de metamateriales especialmente diseñados.En lugar de rotar físicamente el dispositivo, los investigadores utilizaron cambios cuidadosamente sincronizados en las propiedades eléctricas de los componentes electrónicos colocados alrededor del anillo. Esta sincronización controlada creó un patrón de onda en movimiento que imitaba la física de un objeto que se movía más rápido que la velocidad de la luz.“Nuestro enfoque facilita una nueva forma de interacción onda-materia en la que ondas con propiedades rotacionales selectivas extraen energía de rotaciones artificiales dependientes del tiempo, creando una forma de amplificación selectiva de banda ancha”, dijo el investigador principal Andrea Allo, profesor distinguido y profesor Einstein. Iniciativa de fotónica de ASRC.
Los físicos de CUNY recrean la extracción de energía de un agujero negro en un laboratorio histórico.
Generando energía mediante movimiento artificial
El núcleo del experimento dependía de cómo reaccionaban las ondas electromagnéticas dentro de este entorno artificial. Cuando las ondas de radio con algunas propiedades rotacionales entraron en el anillo estacionario, interactuaron con los patrones cambiantes creados por los investigadores. Las ondas obtienen energía del movimiento artificial del sistema y se vuelven más fuertes.“Las ondas con propiedades rotacionales apropiadas extraen y amplifican la energía del sistema, reproduciendo la física esencial del proceso Penrose-Zel’dovich”, dijo el coautor principal Hady Moussa, ex estudiante de doctorado de la Iniciativa de Fotónica CUNY ASRC. “Nuestro enfoque se basa en metamateriales diseñados para controlar la propagación de ondas”.Al eliminar la necesidad de una rotación física real, el experimento ofrece a los científicos una forma segura de estudiar las leyes naturales que normalmente ocurren cerca de los bordes de los agujeros negros.“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 de ondas y la ciencia cuántica”, dijo la autora principal Hadisa Nasri, investigadora postdoctoral de RCUASNY en fotografía. “El trabajo tiene implicaciones para la ciencia básica y los avances en comunicaciones, óptica y fotónica.“
Aplicaciones del mundo real de la física de los agujeros negros
Si bien el experimento ayuda a los astrofísicos a comprender las condiciones espaciales extremas, la tecnología detrás de él también puede tener aplicaciones prácticas en la Tierra. La capacidad de amplificar ondas específicas mediante rotación artificial inmóvil podría ayudar a los ingenieros a crear componentes más eficientes para futuros sistemas de comunicaciones inalámbricas y tecnología de radar.El equipo de investigación planea miniaturizar la tecnología y probar cómo funciona con dispositivos fotónicos y sistemas cuánticos basados en luz. Si tiene éxito, el método podría permitir a los ingenieros controlar cómo se mueve la luz a través de los chips de computadora, creando potencialmente sistemas de procesamiento de datos de alta velocidad.El proyecto recibió apoyo y financiación del Departamento de Defensa de EE. UU. (DOJ), la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y la Fundación Simons. Los anillos de materiales requerirán más mejoras antes de que la tecnología pueda utilizarse en dispositivos de comunicación comerciales.
