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So bauen Sie einen Schwarzen-Loch-Laser
Eine der faszinierendsten Entdeckungen der theoretischen Physik der letzten Jahre ist die formale mathematische Analogie zwischen der Art und Weise, wie Raumzeit und bestimmte Materialien Licht beeinflussen.
Physiker haben diese Idee genutzt, um zu zeigen, wie man Schwarze Löcher mit sogenannten Metamaterialien baut, die Licht auf exotische Weise lenken. Tatsächlich haben chinesische Physiker 2009 ein solches künstliches Schwarzes Loch gebaut.
Die Analogie kann noch weitergeführt werden. Auf diese Weise lassen sich nicht nur Schwarze Löcher herstellen, sondern auch deren zeitumgekehrte Äquivalente – Weiße Löcher. Darüber hinaus sollten sowohl dieses weiße als auch das schwarze Loch Hawking-Strahlung erzeugen. Dies ist die spontane Emission von Strahlung an einem Punkt ohne Wiederkehr eines Lochs, der als Ereignishorizont bezeichnet wird.
Diese spontane Strahlungsemission ist ein merkwürdiges und komplexes Phänomen. Niemand hat Hawking-Strahlung beobachtet, weder von astrophysikalischen Schwarzen Löchern noch von laborbasierten (obwohl derzeit ein oder zwei Behauptungen diskutiert werden). Aber nur wenige Physiker bezweifeln seine Existenz.
Wenn es also wirklich Hawking-Strahlung gibt, was könnten wir damit tun? Heute bekommen wir eine Antwort von Daniele Faccio von der Heriot-Watt University in Schottland und einigen Freunden. Diese Jungs erklären, wie man diese spontane Strahlungsemission nutzt, um einen Laser herzustellen.
Ihre Idee ist, ein Schwarzes Loch neben einem Weißen Loch zu erzeugen, sodass ihre Ereignishorizonte nur wenige hundert Mikrometer voneinander entfernt sind und einen kleinen Hohlraum bilden. Dann zeigen sie, dass, wenn Licht in diesen Hohlraum geschossen wird, es vom Horizont des Weißen Lochs auf den Horizont des Schwarzen Lochs reflektiert wird, wieder zurück zum Weißen und so weiter.
Faccio und Co. zeigen weiterhin, dass Hawking-Strahlung bei jeder Reflexion effektiv zum Strahl beiträgt und ihn dadurch verstärkt. Sie sagen, dass dieser additive Prozess logarithmisch ist, sodass ein kleiner Lichtkeim am Ende einen intensiven Strahlungsstrahl erzeugt.
Ihr wirklicher Triumph besteht jedoch darin, zu zeigen, wie ein solches Gerät im Labor hergestellt werden könnte. Sie weisen darauf hin, dass der Brechungsindex bestimmter Materialien von der Lichtintensität in ihnen abhängt. Das Licht selbst ändert also den Brechungsindex.
Das bedeutet, dass ein sehr intensiver Strahl einen großen Gradienten im Brechungsindex erzeugen kann. Dieser Gradient kann so steil sein, dass er sich wie ein Ereignishorizont verhält. Tatsächlich kann ein einzelner Impuls an seiner Vorderkante einen Schwarzen-Loch-Horizont und an seiner Hinterkante einen Weißen-Loch-Horizont erzeugen.
Das ist genau die Bedingung, nach der diese Jungs suchen. Bei Lichtwellenleitern aus Diamant soll dies möglich sein. Sie haben die Idee numerisch getestet und sagen, dass sie wie erwartet funktioniert.
Faccio und Co weisen darauf hin, dass es möglich ist, Diamanten in mehr oder weniger jede Form zu züchten, daher sollte es jetzt möglich sein, diese Idee im Labor zu testen. Dies scheint daher darauf hinzudeuten, dass diese Art von neuartigem Amplifikationsprozess in realen Umgebungen beobachtet werden könnte, sagen sie.
Das wäre ein außergewöhnliches Experiment – ein Schwarzer-Loch-Laser in einem Labor. Cool!
Ref: arxiv.org/abs/1209.4993 : Optische Schwarze-Loch-Laser