Il y a plus d’un demi-siècle, Sir Roger Penrose a imaginé un scénario dans lequel de l’énergie pourrait être extraite d’un trou noir tournant à une vitesse extrême. Il a proposé qu’une particule pénétrant dans son ergosphère une région de l’espace entraînée par un trou noir en rotation — pourrait se diviser en deux. Une partie tomberait dans le trou noir tandis que l’autre s’échapperait en emportant plus d’énergie que la particule d’origine. S’appuyant sur cette théorie, le physicien Yakov Zel’dovich a ensuite prédit qu’une onde interagissant avec un objet en rotation suffisamment rapide pourrait en extraire de l’énergie et être amplifiée.
Inspirés par cette construction théorique, des chercheurs de l’Advanced Science Research Center at the CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) ont publié un article dans Nature démontrant une nouvelle approche de l’amplification des ondes par interaction avec des corps en rotation. Cependant, plutôt que de faire tourner mécaniquement de la matière, l’équipe a conçu un dispositif radiofréquence dont les propriétés sont modulées dans l’espace et le temps pour imiter la rotation. Le dispositif crée une forme synthétique de rotation ultrarapide qui permet d’atteindre des vitesses de rotation bien supérieures à ce qui peut être réalisé mécaniquement, permettant aux chercheurs de surmonter les limitations qui ont longtemps entravé les études expérimentales de la dynamique rotationnelle ultrarapide.
« Notre approche facilite une nouvelle méthode d’interaction onde-matière dans laquelle des ondes avec des propriétés de rotation sélectionnées extraient de l’énergie d’une rotation synthétique conçue temporellement, produisant une forme d’amplification sélective large bande, » a déclaré l’investigateur principal Andrea Alù, professeur distingué et professeur Einstein de physique au CUNY Graduate Center et directeur fondateur de l’initiative photonique du CUNY ASRC.
« Cette expérience réussie fait passer les idées sur la dynamique rotationnelle extrême de la théorie à la pratique et crée une plateforme expérimentale polyvalente pour explorer un large éventail de phénomènes à l’intersection de l’astrophysique, de la physique des ondes et de la science quantique, » a déclaré l’auteur principal Hadiseh Nasari, chercheuse post-doctorante à l’initiative photonique du CUNY ASRC. « Ces travaux ont des implications pour les avancées en science fondamentale et dans les communications, l’optique et la photonique. »
Au cœur des travaux de l’équipe se trouvait une question fondamentale : des ondes électromagnétiques envoyées vers un dispositif qui reste immobile peuvent-elles se comporter comme si elles interagissaient avec un objet tournant à des vitesses ultrarapides et extraire de l’énergie de cette forme de mouvement synthétique ?
Pour répondre à leur question, les chercheurs ont construit un réseau en forme d’anneau de résonateurs électroniques dont les propriétés étaient rapidement modulées selon une séquence temporelle minutieuse, produisant un motif voyageur autour de l’anneau. Bien que le dispositif lui-même ne bouge pas, le motif voyageur a fait percevoir aux ondes électromagnétiques que le système tournait à une vitesse ultrarapide.
« Les ondes avec les caractéristiques de rotation appropriées ont extrait de l’énergie du système et ont été amplifiées, reproduisant la physique essentielle du processus de Penrose–Zel’dovich, » a déclaré le co-auteur principal Hady Moussa, un ancien doctorant de l’initiative photonique du CUNY ASRC. « Notre approche repose sur des métamatériaux conçus pour contrôler la propagation des ondes. »
La capacité de la rotation synthétique à simuler un mouvement au-delà de la vitesse de la lumière offre aux chercheurs un moyen puissant d’étudier des régimes extrêmes dans un cadre de laboratoire contrôlé. L’exploit de l’équipe ouvre un nouveau terrain de jeu expérimental pour étudier une physique qui resterait autrement inaccessible et offre des opportunités remarquables pour les communications sans fil et les applications d’optique classique et quantique.
À l’avenir, les résultats devront être adaptés à des technologies pratiques, et les mêmes concepts peuvent être étendus aux plates-formes photoniques et quantiques, permettant de nouvelles façons de manipuler la lumière, de traiter l’information et d’étudier les phénomènes ondulatoires inspirés par certains des environnements les plus extrêmes de l’univers.
La recherche a été soutenue par le département de la Défense des États-Unis, la National Science Foundation des États-Unis et la Simons Foundation.
Article : Observation of Floquet rotational super-radiance – Journal : Nature – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : ASRC, GC Cuny
