Físico descubre cómo hacer espuma cuántica en un tubo de ensayo

Un metamaterial es material que ha sido diseñado para manipular y dirigir ondas electromagnéticas de formas que no se pueden reproducir en materiales naturales.

Estos materiales son estructuras periódicas construidas a partir de pequeños componentes electrónicos, como cables y condensadores de anillo dividido. Individualmente, estos componentes tienen una interacción leve con el paso de ondas electromagnéticas. Pero ensamblados en una estructura repetitiva, tienen una poderosa influencia sobre la luz.

No hay escasez de cosas exóticas que los metamateriales pueden hacer: todo, desde capas de invisibilidad hasta líneas de transmisión de energía. Pero una de sus aplicaciones más interesantes es la cosmología porque, lo crea o no, pueden imitar la estructura del espacio-tiempo.

Resulta que existe una gran similitud entre la forma en que la luz se ve afectada por la curvatura del espacio-tiempo y la forma en que es influenciada por el espacio electromagnético dentro de un metamaterial. De hecho, existe una analogía matemática formal entre estas cosas. Entonces, el comportamiento de los fotones dentro de un metamaterial es idéntico a su comportamiento en el espacio-tiempo.

Eso es útil porque permite a los ingenieros recrear todo tipo de objetos astrofísicos exóticos en el laboratorio. Ya hemos hablado del primer agujero negro hecho con un metamaterial y hemos visto cómo debería ser posible recrear el Big Bang e incluso multiversos enteros.

Ahora tenemos otra idea exótica. Uno de los principales pensadores en esta área es Igor Smolyaninov de la Universidad de Maryland en College Park. Hoy, muestra cómo crear espuma cuántica dentro de un metamaterial.

Primero, un breve resumen de la espuma cuántica. Nadie está muy seguro de qué leyes de la física gobiernan el espacio-tiempo en la escala más pequeña, es decir, en la longitud de Planck de unos 10 ^ -35 metros. Sin embargo, nuestra mejor suposición es que la mecánica cuántica debe prevalecer de alguna manera. Y si ese es el caso, entonces el principio de incertidumbre de Heisenberg debe jugar un papel importante.

Este principio implica que para descubrir algo sobre una región del espacio en esa escala, tendríamos que usar energías tan altas que crearían un agujero negro. (Por eso no tiene sentido pensar en algo más pequeño).

Ahora, debido a que estos agujeros negros pueden existir, la mecánica cuántica sugiere que existen, saltando constantemente dentro y fuera de la existencia en la escala de Planck.

Estos agujeros negros virtuales dan al espacio-tiempo una cierta estructura extraña a la escala de Planck. A falta de una palabra mejor, los físicos lo llaman espuma cuántica.

Entonces, ¿qué tiene esto que ver con los metamateriales? Smolyaninov señala que los metamateriales solo son transparentes para fotones de una longitud de onda específica cuando su permitividad dieléctrica está diseñada para estar por debajo de algún valor crítico.

Si supera este valor, el material se volverá opaco de repente.

Entonces, su idea es crear un metamaterial en el que la permitividad dieléctrica solo sople este valor crítico. Entonces, cualquier fluctuación térmica dentro del material debería aumentar la permitividad, haciendo que el material sea opaco en esa región.

Entonces, cualquier fotón capturado en esa región quedará atrapado. Experimentan una reflexión interna total en cualquier ángulo de incidencia, dice Smolyaninov.

Por tanto, esa región es análoga a un agujero negro. Y el hecho de que estos agujeros negros aparezcan y desaparezcan a medida que la temperatura fluctúe naturalmente significa que el metamaterial se comporta como espuma cuántica.

Pero lo mejor es que este efecto de espuma cuántica debería ser fácil de ver. Smolyaninov dice que hay sistemas bien conocidos que se encuentran en esta coyuntura crítica entre transparencia y opacidad. Señala en particular una mezcla de anilina y ciclohexano que es inmiscible por debajo de 35 grados C. Por encima de esta temperatura, sin embargo, los líquidos se mezclan felizmente, creando regiones con permitividad diferente.

El efecto interesante se produce en la capa entre ellos a medida que se mezclan, que se vuelve completamente opaca a la temperatura crítica. Pero debido a las fluctuaciones térmicas, las pequeñas regiones parpadean constantemente dentro y fuera de la opacidad, atrapando y liberando luz en el proceso. Este comportamiento es bastante similar al comportamiento del espacio-tiempo físico real en la escala de Planck, dice Smolyaninov.

En otras palabras, a la temperatura crítica este material es análogo a la espuma cuántica.

Smolyninov en realidad no ha realizado este experimento, pero no hay nada en él que parezca particularmente complicado. Podrías hacerlo en un matraz ordinario o en un tubo de ensayo. De hecho, termina su artículo diciendo: Este efecto parece ser grande y fácil de observar.

Lo que significa que pronto, los físicos tendrán su propia versión de espuma cuántica para jugar en el laboratorio.

Ref: arxiv.org/abs/1101.4625 : Agujeros negros virtuales en metamateriales hiperbólicos

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