Искривленное пространство-время на чипе

Искривление пространства вокруг массивной звезды означает, что кратчайший путь света вокруг неё – кривая, однако и вокруг звезд поменьше также может происходить нечто подобное.

Потребовалось провести две экспедиции, ориентированные на солнечное затмение 1919 года, чтобы проверить необычное предсказание Альберта Эйнштейна о том, что сила тяжести искажает путь световых волн вокруг звезд и других астрономических тел, искажая объекты позади. Недавно исследователи смогли создать первый точный аналог этого эффекта на микрочипе.

Любая большая масса искажает геометрию пространства вокруг нее, например, заставляя параллельные световые лучи отклоняться или сходиться.

Последствием, описанным общей теорией относительности Эйнштейна, является то, что объекты позади тела, такие как Солнце, могут выглядеть увеличенными или искаженными, так как оптическая траектория света проходит через область деформированного пространства.

Метаматериаловед Хой Лю из Нанкинского университета в Китае с коллегами сымитировали гравитационную фокусировку, которая влияет на свет в космическом вакууме, при этом пропуская его через твердые тела. У различных прозрачных сред различные коэффициенты преломления, вследствие чего световые лучи претерпевают искажения.

Вода яркий тому пример. Если опустить в воду карандаш наполовину, то он будет казаться сломанным. Но если коэффициент преломления среды изменяется более или менее постепенно, то свет через нее будет проходить по кривой.

Ульф Леонхардт физик, Институт Вейцмана в Реховоте, Израиль

Переменный коэффициент преломления изменяет свет также, как сила тяжести изменяет пространство-время, так как свет всегда идет по самому короткому пути, независимо от геометрии этого пути

Преломляющий свет чип

Лю и его коллеги смоделировали гравитационную фокусировку звезды на интегрированном фотонном чипе. Слой прозрачной пластмассы на чипе работает как волновод, ограничивая свет поверхностью чипа. Для изменения коэффициента преломления пластмассы исследователи должны были изменить ее толщину. Для этого они нагрели пластмассу и добавили микросферы полистирола до того, как она остыла. В процессе охлаждения пластмасса поднялась за счет микросфер, а толщина волновода увеличилась.

a, интерферограмма вокруг микросфер. б, профиль поверхности слоя. c, эффективный показатель преломления микроструктурированного волновода показывает сильную степенную зависимость радиального расстояния от микросфер. д, конкретный пример отклонения света в непосредственной близости от микросфер.

Углы отклонения пучка света, измеренные в эксперименте (точки, бары) и расчетные (красные и синие линии). Из-за конечной ширины падающего луча света угла отклонения θ₁ и θ₂, соответствующие ребрам пучка (интенсивность света 1/e), могут быть измерены однозначно. На вставке показаны две точки наибольшего сближения rt₁ rt₂ пучка света

В итоге, переменный коэффициент преломления оказался близок к искривлению пространственно-временной геометрии вокруг массивной звезды.

Лю и его команда описывают полученный результат в Nature Photonics.

Впервые с помощью оптической модели было смоделировано решение уравнения Эйнштейна, говорит Леонхардт. Простота эксперимента, а именно микросферы на пластмассе, “изящно иллюстрируют некоторые идеи общей теории относительности”, добавляет он.

В 2010 году исследователи из Юго-восточного университета в Нанкине создали искусственные черные дыры, поглощающие микроволновый свет. Они сделали их из полос монтажных плат, покрытых тонким слоем меди.

Но по словам соавтора исследования Денчо Генов из Технического университета в Растоне в модели микрочипа «может быть заключено объяснение явлений, основанных на Общей теории относительности, которые чрезвычайно трудно изучить посредством прямых астрономических наблюдений». К ним можно отнести случаи, когда длина радиоволн сопоставима с размером астрономического объекта, отмечает он.

Способность чипа удерживать и фокусировать свет может также увеличить производительность солнечных батарей, добавляет Лю.