Laboratorium observerar energiekstraktionseffekt från svart hål utan ett roterande objekt

Forskare har för första gången observerat ett Floquet-regime av rotationell superradians i laboratoriemiljö, och demonstrerat den länge teoretiserade Penrose-Zel'dovich-processen med hjälp av ett rumtidsmodulerat ringnätverk istället för ett roterande svart hål. Resultaten, publicerade i Nature den 8 juli, bekräftar att vågor med rätt rotationsegenskaper kan extrahera energi från ett roterande system och komma ut förstärkta.nature+2

Från astrofysisk teori till laboratorieexperiment

Penrose-processen, föreslagen av Roger Penrose 1969, beskriver hur energi kan extraheras från ergosfären hos ett roterande svart hål. Yakov Zel'dovich utökade idén i början av 1970-talet och förutspådde att varje roterande absorbator skulle kunna förstärka elektromagnetiska vågor som bär rörelsemängdsmoment, förutsatt att objektet roterar tillräckligt snabbt. I årtionden förblev effekten utom experimentell räckvidd.phys+1

Det nya arbetet, lett av Hadiseh Nasari, Hady Moussa vid CUNY Advanced Science Research Center Photonics Initiative, och Andrea Alù, kringgår behovet av ett fysiskt roterande objekt. Istället konstruerade teamet ett ringnätverk med rumtidsmodulering – vilket effektivt simulerar rotation genom noggrant tidsinställda förändringar i systemets egenskaper. Denna Floquet-metod tillät forskarna att observera superradiant förstärkning av elektromagnetiska moder, vilket bekräftar huvudprediktionen att ett roterande medium kan överföra energi till spridda vågor.nature+1

Bygger på tidigare genombrott

Resultatet utökar en rad experimentella framsteg. År 2020 verifierade Marion Cromb och kollegor vid University of Glasgow en nyckelaspekt av Penrose-processen med hjälp av vridna ljudvågor och en roterande skumskiva, och publicerade sina resultat i Nature Physics. Tidigare i år demonstrerade ett annat team en elektromagnetisk "svart hål-bomb"-instabilitet med hjälp av en roterande metallcylinder parad med en resonator, vilket bekräftade exponentiell förstärkning av Zel'dovich-effekten.iflscience+4

Floquet-metoden som rapporteras idag skiljer sig genom att helt eliminera mekanisk rotation, och förlitar sig istället på syntetisk rörelse skapad genom tidsvarierande elektromagnetiska parametrar. Detta öppnar nya vägar för att studera rotationell superradians i kompakta fotoniska system.

Implikationer för fysik och teknologi

Experimentet överbryggar astrofysisk teori och fotonisk ingenjörskonst. Även om det att extrahera energi från ett faktiskt svart hål fortfarande ligger långt utanför dagens möjligheter, kan förståelse av superradians i kontrollerade miljöer informera designen av nya förstärkare och generatorer. Arbetet ger också en plattform för att utforska djupare frågor om våg-materie-interaktioner i roterande ramar – frågor som fram till nu endast kunde utforskas genom matematik och avlägsna astronomiska observationer.