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Physiker entdeckt, wie man Quantenschaum in einem Reagenzglas herstellt
Ein Metamaterial ist Material, das entwickelt wurde, um elektromagnetische Wellen auf eine Weise zu manipulieren und zu lenken, die in natürlich vorkommenden Materialien nicht reproduziert werden kann.
Diese Materialien sind periodische Strukturen, die aus winzigen elektronischen Komponenten wie Split-Ring-Kondensatoren und Drähten aufgebaut sind. Einzeln haben diese Komponenten eine milde Wechselwirkung mit vorbeigehenden EM-Wellen. Aber zu einer sich wiederholenden Struktur zusammengesetzt, haben sie einen starken Einfluss auf das Licht.
An exotischen Dingen, die Metamaterialien können, mangelt es nicht: von Tarnkappen bis hin zu Stromleitungen. Aber eine ihrer aufregendsten Anwendungen liegt in der Kosmologie, weil sie, ob Sie es glauben oder nicht, die Struktur der Raumzeit nachahmen können.
Es stellt sich heraus, dass es eine große Ähnlichkeit zwischen der Art und Weise gibt, wie Licht durch die Krümmung der Raumzeit beeinflusst wird, und wie es durch den elektromagnetischen Raum innerhalb eines Metamaterials beeinflusst wird. Tatsächlich gibt es eine formale mathematische Analogie zwischen diesen Dingen. Das Verhalten von Photonen innerhalb eines Metamaterials ist also identisch mit ihrem Verhalten in der Raumzeit.
Das ist praktisch, weil es Ingenieuren ermöglicht, alle Arten von exotischen astrophysikalischen Objekten im Labor nachzubauen. Wir haben bereits über das erste Schwarze Loch gesprochen, das aus einem Metamaterial hergestellt wurde, und gesehen, wie es möglich sein sollte, den Urknall und sogar ganze Multiversen nachzubilden.
Jetzt haben wir eine andere exotische Idee. Einer der führenden Denker auf diesem Gebiet ist Igor Smolyaninov von der University of Maryland im College Park. Heute zeigt er, wie man Quantenschaum in einem Metamaterial erzeugt.
Zuerst eine kurze Hintergrundinformation über Quantenschaum. Niemand weiß genau, welche physikalischen Gesetze die Raumzeit im kleinsten Maßstab regeln, das heißt über die Planck-Länge von etwa 10^-35 Metern. Wir vermuten jedoch, dass sich die Quantenmechanik irgendwie durchsetzen muss. Und wenn das der Fall ist, dann muss das Heisenbergsche Unschärfenprinzip eine wichtige Rolle spielen.
Dieses Prinzip impliziert, dass wir, um etwas über einen Raumbereich dieser Größenordnung zu entdecken, so hohe Energien verbrauchen müssten, dass sie ein Schwarzes Loch erzeugen würden. (Deshalb macht es keinen Sinn, an etwas Kleineres zu denken.)
Da diese Schwarzen Löcher existieren können, deutet die Quantenmechanik darauf hin, dass sie existieren und auf der Planck-Skala ständig in und aus der Existenz springen.
Diese virtuellen Schwarzen Löcher verleihen der Raumzeit eine gewisse seltsame Struktur auf der Planck-Skala. Physiker nennen es mangels eines besseren Wortes Quantenschaum.
Was hat das mit Metamaterialien zu tun? Smolyaninov weist darauf hin, dass Metamaterialien nur dann für Photonen einer bestimmten Wellenlänge transparent sind, wenn ihre dielektrische Permittivität so konstruiert ist, dass sie unter einem kritischen Wert liegt.
Steigt sie über diesen Wert, würde das Material plötzlich undurchsichtig.
Seine Idee ist es also, ein Metamaterial zu schaffen, bei dem die dielektrische Permittivität gerade diesen kritischen Wert überschreitet. Dann sollten alle thermischen Fluktuationen innerhalb des Materials die Permittivität erhöhen, wodurch das Material in diesem Bereich undurchsichtig wird.
Alle in dieser Region gefangenen Photonen werden also eingefangen. Sie erfahren Totalreflexion bei jedem Einfallswinkel, sagt Smolyaninov.
Diese Region ist daher ein Analogon eines Schwarzen Lochs. Und die Tatsache, dass diese Schwarzen Löcher aufgrund natürlicher Temperaturschwankungen entstehen und wieder verschwinden, bedeutet, dass sich das Metamaterial wie ein Quantenschaum verhält.
Aber das Beste ist, dass dieser Quantenschaumeffekt einfach zu sehen sein sollte. Smolyaninov sagt, dass es bekannte Systeme gibt, die sich an dieser kritischen Schnittstelle zwischen Transparenz und Opazität befinden. Er weist insbesondere auf eine Mischung aus Anilin und Cyclohexan hin, die unterhalb von 35 Grad C nicht mischbar ist. Oberhalb dieser Temperatur vermischen sich die Flüssigkeiten jedoch glücklich, wodurch Bereiche mit unterschiedlicher Permittivität entstehen.
Der interessante Effekt tritt beim Mischen in der Schicht dazwischen auf, die bei der kritischen Temperatur vollständig undurchsichtig wird. Aber aufgrund von thermischen Schwankungen flackern kleine Bereiche ständig in und aus der Opazität und fangen dabei Licht ein und geben es frei. Dieses Verhalten ist dem Verhalten der tatsächlichen physikalischen Raumzeit auf der Planck-Skala ziemlich ähnlich, sagt Smolyaninov.
Mit anderen Worten, bei der kritischen Temperatur ist dieses Zeug analog zu Quantenschaum.
Smolyninov hat dieses Experiment nicht wirklich durchgeführt, aber nichts daran scheint besonders knifflig zu sein. Sie können dies in einer gewöhnlichen Flasche oder einem Reagenzglas tun. Tatsächlich beendet er seine Arbeit mit den Worten: Dieser Effekt scheint groß und leicht zu beobachten zu sein.
Das bedeutet, dass Physiker bald ihre eigene Version von Quantenschaum im Labor haben werden.
Ref: arxiv.org/abs/1101.4625 :Virtuelle Schwarze Löcher in hyperbolischen Metamaterialien