50 yılı aşkın bir süre önce fizikçi Sir Roger Penrose dikkat çekici bir fikir ortaya attı: Doğru koşullar altında, hızla dönen bir kara delikten enerji çıkarmak mümkün olabilirdi. Onun konseptine göre, kara deliğin ergosferine (nesnenin dönüşüyle uzay-zamanın sürüklendiği bölge) giren bir parçacık ikiye ayrılabiliyordu. Parçalardan biri kara deliğe düşerken, diğeri orijinal parçacıktan daha fazla enerji taşıyarak kaçıyordu. Daha sonra fizikçi Yakov Zel'dovich bu konsepti genişleterek, yeterince hızlı dönen bir nesneyle etkileşime giren dalgaların da enerji kazanarak yükseltilebileceğini öngördü.
Şimdi, New York Şehir Üniversitesi (CUNY) İleri Bilim Araştırma Merkezi'ndeki (CUNY ASRC) araştırmacılar, bu köklü teorilerden ilham alan deneysel bir yaklaşım sergiledi. Nature dergisinde yayımlanan çalışmada ekip, fiziksel olarak dönmeden aşırı dönüşü simüle eden bir cihaz kullanarak dalga yükseltmesinin sağlanabileceğini gösterdi.
Sentetik Dönüş, Aşırı Fiziği Yeniden Yaratıyor
Araştırmacılar, bir nesneyi mekanik olarak döndürmek yerine, özellikleri hem uzay hem de zaman içinde hızla değiştirilen bir radyo frekans cihazı inşa etti. Bu özenle tasarlanmış sistem, geleneksel mekanik sistemlerin ulaşabileceğinin çok ötesinde etkili dönüş hızlarına ulaşarak ultra hızlı dönüş yanılsaması yaratıyor. Fiziksel hareketi sentetik dönüşle değiştiren ekip, onlarca yıldır aşırı dönüş fiziğinin deneysel çalışmalarını sınırlayan zorlukların üstesinden geldi.
Baş araştırmacı, CUNY Graduate Center'da Seçkin Profesör ve Einstein Fizik Profesörü ve CUNY ASRC Fotonik Girişimi'nin kurucu direktörü Andrea Alù, "Yaklaşımımız, seçilen dönüş özelliklerine sahip dalgaların sentetik zaman mühendisliğiyle oluşturulmuş dönüşten enerji çektiği ve bir tür geniş bant seçici yükseltme ürettiği yeni bir dalga-madde etkileşimi yöntemi sağlıyor" dedi.
Çalışmanın baş yazarı ve CUNY ASRC Fotonik Girişimi'nde doktora sonrası araştırmacı olan Hadiseh Nasari ise deneyin, uzun süredir teorik bir kavram olan bu fikri pratik bir araştırma aracına dönüştürdüğünü söyledi. Nasari, "Bu başarılı deney, aşırı dönüş dinamikleriyle ilgili fikirleri teoriden pratiğe taşıyor ve astrofizik, dalga fiziği ve kuantum biliminin kesiştiği noktada çok çeşitli olguları keşfetmek için çok yönlü bir deneysel platform oluşturuyor. Çalışmanın temel bilimde olduğu kadar iletişim, optik ve fotonik alanlarında da ilerlemeler için etkileri var" diye konuştu.
Deney Nasıl Çalıştı?
Araştırmacılar temel bir soruyu yanıtlamak için yola çıktı: Tamamen sabit bir cihazla etkileşime giren elektromanyetik dalgalar, sanki ultra hızlı dönen bir nesneyle karşılaşıyormuş gibi davranabilir ve bu sentetik hareketten enerji çekebilir mi?
Bunu araştırmak için, özellikleri dikkatlice senkronize edilmiş bir sırayla hızla ayarlanan bir halka elektronik rezonatör inşa ettiler. Donanımın kendisi hiçbir zaman hareket etmemesine rağmen, bu zamanlanmış değişiklikler halkanın etrafında hareket eden bir desen oluşturdu. Sonuç olarak, elektromanyetik dalgalar sistemi sanki olağanüstü bir hızla dönüyormuş gibi deneyimledi.
Çalışmanın ortak yazarlarından ve eski bir CUNY ASRC Fotonik Girişimi doktora öğrencisi olan Hady Moussa, "Uygun dönüş özelliklerine sahip dalgalar sistemden enerji çekti ve yükseltildi, böylece Penrose-Zel'dovich sürecinin temel fiziğini yeniden üretti. Yaklaşımımız, dalgaların nasıl yayıldığını kontrol etmek için tasarlanmış mühendislik ürünü metamalzemelere dayanıyor" dedi.
Kara Delik Fiziğinin Ötesinde Potansiyel Uygulamalar
Sentetik dönüş, ışık hızının ötesindeki hareketi taklit edebildiğinden, araştırmacılar artık doğrudan çalışılması imkansız olan aşırı fiziksel rejimleri keşfetmek için kontrollü bir laboratuvar platformuna sahip. Çalışma, aşırı fiziği araştırmak için yeni fırsatlar yaratırken aynı zamanda kablosuz iletişim, optik, fotonik ve kuantum teknolojilerinde gelecekteki ilerlemelere de işaret ediyor.
Araştırmacılar, bu fikirlerin pratik cihazlara dönüştürülmesi için ek çalışmalara ihtiyaç duyulacağını belirtiyor. Ayrıca aynı prensiplerin fotonik ve kuantum sistemlerine de uygulanabileceğine, ışığı kontrol etme, bilgi işleme ve evrendeki en aşırı ortamlardan bazılarından ilham alan dalga davranışını inceleme konularında yeni olanaklar açabileceğine inanıyorlar.
Araştırma, ABD Savunma Bakanlığı, ABD Ulusal Bilim Vakfı ve Simons Vakfı tarafından desteklendi.
