Comparaison du comportement gravitationnel et optique. Crédit :V. Smolyaninova et al., doi 10.1117/1.AP.2.5.056001
Les métamatériaux, des structures nanotechnologiques conçues pour un contrôle et une manipulation précis des ondes électromagnétiques, ont permis des innovations telles que les capes d'invisibilité et les microscopes à super-résolution. Grâce à l'optique de transformation, ces nouveaux dispositifs fonctionnent en manipulant la propagation de la lumière dans "l'espace-temps optique, " qui peut être différent de l'espace-temps physique réel.
Igor Smolyaninov de l'Université du Maryland dit, "L'une des applications les plus inhabituelles des métamatériaux était une proposition théorique visant à construire un système physique qui présenterait un comportement physique double à petite échelle." Cette proposition a été récemment réalisée expérimentalement par la démonstration d'un comportement à deux temps (2T) dans des métamatériaux hyperboliques à base de ferrofluide par Smolyaninov et une équipe de chercheurs de l'Université de Towson, dirigé par Vera Smolyaninova. Le comportement 2T observé a un potentiel d'utilisation dans l'hyperinformatique tout optique ultrarapide.
Physique 2T
Les trois dimensions spatiales familières et une dimension temporelle de l'espace-temps conventionnel trouvent un paradigme alternatif en physique 2T, qui a deux dimensions spatiales et deux dimensions temporelles. Pionnier de l'investigation théorique et de la modélisation par les physiciens Paul Dirac et Andrei Sakharov dans les années 1960, L'espace-temps 2T a été exploré plus récemment par Smolyaninov avec Evgenii Narimanov de l'Université Purdue. Leur modèle théorique a prédit que les ondes lumineuses pourraient présenter un comportement 2T dans les métamatériaux hyperboliques.
Métamatériaux hyperboliques non linéaires pour un contrôle précis de la lumière
Les métamatériaux hyperboliques sont extrêmement anisotropes, se comportant comme un métal dans un sens et comme un diélectrique dans le sens orthogonal. Initialement introduit pour améliorer l'imagerie optique, les métamatériaux hyperboliques démontrent un certain nombre de phénomènes nouveaux, comme une très faible réflectivité, conductivité thermique extrême, supraconductivité à haute température, et des analogues intéressants de la théorie de la gravité.
Smolyaninov explique que les analogues de la gravité sont un parallèle mathématique fortuite :les équations mathématiques qui décrivent la propagation de la lumière dans les métamatériaux hyperboliques décrivent également la propagation des particules dans la physique, ou Minkowski, espace-temps dans lequel l'une des coordonnées spatiales se comporte comme une « variable de type temps ».
Smolyaninov explique en outre que les effets optiques non linéaires "plient" cet espace-temps plat de Minkowski, résultant en une "force gravitationnelle effective entre des photons extraordinaires". Selon Smolyaninov, l'observation expérimentale de la gravité effective dans un tel système devrait permettre d'observer l'émergence de la flèche gravitationnelle du temps le long d'une direction spatiale. Avec le temps physique conventionnel, les deux variables de type temps guident l'évolution du champ lumineux dans un métamatériau hyperbolique.
(a) En l'absence de champ magnétique externe, les nanoparticules de cobalt sont réparties aléatoirement au sein du ferrofluide, et leurs moments magnétiques (qui sont représentés par les flèches rouges) n'ont pas d'orientation spatiale préférée. (b) L'application d'un champ magnétique externe conduit à la formation de nanocolonnes (faites de nanoparticules) qui sont alignées le long de la direction du champ. La propagation de la lumière dans un tel métamatériau est mathématiquement décrite par deux variables temporelles. (c) Schéma de principe de la géométrie expérimentale. Une caméra thermique est utilisée pour étudier la propagation du faisceau laser CO2 à travers le ferrofluide soumis à un champ magnétique continu externe. L'encart montre la forme du faisceau mesurée en l'absence de l'échantillon de ferrofluide. Deux orientations du champ magnétique externe B utilisées dans nos expériences sont représentées par des flèches vertes. La flèche rouge montre la polarisation de la lumière laser. Crédit :V. Smolyaninova et al., doi 10.1117/1.AP.2.5.056001
Les progrès expérimentaux dans ce domaine passionnant ont été relativement lents jusqu'à récemment, en raison des difficultés associées aux techniques de nanofabrication 3D nécessaires pour produire des métamatériaux hyperboliques non linéaires 3D à grand volume. L'équipe de recherche a développé une autre façon de fabriquer des métamatériaux hyperboliques non linéaires en 3D à grand volume en utilisant l'auto-assemblage de nanoparticules métalliques magnétiques dans un ferrofluide soumis à un champ magnétique externe. Smolyaninov explique, "En raison de l'effet Kerr optique non linéaire dans le champ optique fort d'un CO
Comme prédit par les travaux théoriques antérieurs, la dynamique observée expérimentalement des filaments de lumière auto-focalisés peut en effet être décrite mathématiquement en utilisant le modèle de physique 2T.
Hypercalcul ultrarapide tout optique
Selon Smolyaninov, L'hypercalcul tout optique ultrarapide consiste à mapper un calcul effectué pendant une période de temps donnée sur un calcul beaucoup plus rapide effectué à l'aide d'un volume spatial donné d'un métamatériau hyperbolique - une possibilité permise par le comportement 2T observé. Smolyaninov note que les schémas d'hypercalcul peuvent être utiles dans les applications sensibles au temps, comme l'informatique en temps réel, contrôle de vol, ou la reconnaissance de la cible.
