Metamateriały – ciała o odpowiednio zaprojektowanych wartościach współczynnika załamania światła – mogą być użyte do badania zjawisk przewidzianych Ogólną Teorią Względności. Specjalnie wymodelowany materiał może służyć jako odpowiednik zakrzywionej przestrzeni wokół ciała niebieskiego, a trajektoria promienia światła będzie odpowiadała ruchowi poruszającego się w przestrzeni światła lub materii. Odkrycie opisane jest w najnowszym numerze „Nature Physics”.

Badania prowadzili fizycy z Louisiana Technical University i Berkeley Lab – Dentcho Genov, Xiang Zhang i Shuang Zhang. Ich głównym polem badawczym są metamateriały: ciała stałe zaprojektowane tak, aby współczynnik załamania światła zachowywał się inaczej niż w naturalnie występujących materiałach – np. był ujemny lub wywoływał zakrzywienie promienia. Jednym z najbardziej znanych osiągnięć grupy Genova było zaproponowanie tzw. płaszcza-niewidki: metamateriału, który ukrywa obiekty przed detekcją światłem.

W najnowszej publikacji naukowcy proponują wykorzystanie specjalnych metamateriałów jako odpowiedników zakrzywionej czasoprzestrzeni. Według ogólnej teorii względności, światło i materia w takiej czasoprzestrzeni poruszają się po zakrzywionych trajektoriach oraz mogą zostać uwięzione w określonych obszarach. Jak dotąd, oddziaływanie materii i czasoprzestrzeni było badane albo teoretycznie, albo poprzez obserwacje astronomiczne. Okazuje się, że ruch światła w metamateriale, w którym współczynnik załamania światła jest niejednorodny, podlega analogicznym prawom, co w zakrzywionej przestrzeni. Własność ta jest znana jako analogia optyczno-mechaniczna.

Naukowcy proponują zastosowanie materiałów optycznych, dla których ruch fotonów może być periodyczny, quasi-periodyczny lub chaotyczny, np. wykorzystując kompozyty powietrze-dielektryk z nanocząsteczkami miedzi. W takich materiałach współczynnik załamania zmienia się w sposób ciągły, a sposób spowalniania i kontroli światła wewnątrz takiego materiału jest zupełnie analogiczny do tego, w jaki światło porusza się w czasoprzestrzeni w pobliżu np. czarnych dziur. Zachowanie promienia będzie dawało informacje na temat ruchu światła i materii w określonych warunkach w kosmosie, np. w pobliżu soczewek grawitacyjnych lub chaotycznego ruchu, wywołanego zaburzeniem od innego ciała niebieskiego.

Metoda daje nowe możliwości badania zjawisk przewidzianych przez OTW. Aby zbadać ruch w danym polu, naukowcy nie będą musieli czekać wielu lat, aż pojawi się ciało niebieskie o pożądanych parametrach. Będą mogli wykonać analogiczny eksperyment w laboratorium, w ściśle kontrolowanych warunkach.

Autor

Teresa Kubacka