Un physicien découvre comment fabriquer de la mousse quantique dans un tube à essai

Un métamatériau est un élément qui a été conçu pour manipuler et orienter les ondes électromagnétiques d'une manière qui ne peut pas être reproduite dans des matériaux naturels.

Ces matériaux sont des structures périodiques construites à partir de minuscules composants électroniques tels que des condensateurs à anneau fendu et des fils. Individuellement, ces composants ont une interaction modérée avec le passage des ondes em. Mais assemblés en une structure répétitive, ils ont une puissante influence sur la lumière.

Les métamatériaux ne manquent pas de choses exotiques : tout, des capes d'invisibilité aux lignes de transport d'électricité. Mais l'une de leurs applications les plus passionnantes est en cosmologie car, croyez-le ou non, ils peuvent imiter la structure de l'espace-temps.

Il s'avère qu'il existe une étroite similitude entre la façon dont la lumière est affectée par la courbure de l'espace-temps et la façon dont elle est influencée par l'espace électromagnétique à l'intérieur d'un métamatériau. En fait, il existe une analogie mathématique formelle entre ces choses. Ainsi, le comportement des photons à l'intérieur d'un métamatériau est identique à leur comportement dans l'espace-temps.

C'est pratique car cela permet aux ingénieurs de recréer toutes sortes d'objets astrophysiques exotiques en laboratoire. Nous avons déjà parlé du premier trou noir réalisé à l'aide d'un métamatériau et vu comment il devrait être possible de recréer le Big Bang et même des multivers entiers.

Maintenant, nous avons une autre idée exotique. L'un des principaux penseurs dans ce domaine est Igor Smolyaninov de l'Université du Maryland à College Park. Aujourd'hui, il montre comment créer de la mousse quantique à l'intérieur d'un métamatériau.

Tout d'abord, un bref document d'information sur la mousse quantique. Personne ne sait vraiment quelles lois de la physique régissent l'espace-temps à la plus petite échelle, c'est-à-dire sur la longueur de Planck d'environ 10^-35 mètres. Cependant, notre meilleure supposition est que la mécanique quantique doit d'une manière ou d'une autre prévaloir. Et si tel est le cas, le principe d'incertitude de Heisenberg doit jouer un rôle important.

Ce principe implique que pour découvrir quoi que ce soit sur une région de l'espace à cette échelle, nous devrions utiliser des énergies si élevées qu'elles créeraient un trou noir. (C'est pourquoi cela n'a pas de sens de penser à quelque chose de plus petit.)

Maintenant, parce que ces trous noirs peuvent exister, la mécanique quantique suggère qu'ils existent, sautant constamment dans et hors de l'existence à l'échelle de Planck.

Ces trous noirs virtuels donnent à l'espace-temps une certaine structure étrange à l'échelle de Planck. Faute d'un meilleur mot, les physiciens l'appellent mousse quantique.

Alors qu'est-ce que cela a à voir avec les métamatériaux ? Smolyaninov souligne que les métamatériaux ne sont transparents pour les photons d'une longueur d'onde spécifique que lorsque leur permittivité diélectrique est conçue pour être inférieure à une valeur critique.

S'il s'élevait au-dessus de cette valeur, le matériau deviendrait soudainement opaque.

Son idée est donc de créer un métamatériau dans lequel la permittivité diélectrique vient de souffler cette valeur critique. Ensuite, toute fluctuation thermique à l'intérieur du matériau devrait augmenter la permittivité, rendant le matériau opaque dans cette région.

Ainsi, tous les photons capturés dans cette région seront piégés. Ils subissent une réflexion interne totale à n'importe quel angle d'incidence, explique Smolyaninov.

Cette région est donc un analogue d'un trou noir. Et le fait que ces trous noirs apparaissent et disparaissent à mesure que la température fluctue naturellement signifie que le métamatériau se comporte comme de la mousse quantique.

Mais la meilleure chose est que cet effet de mousse quantique devrait être simple à voir. Smolyaninov dit qu'il existe des systèmes bien connus qui se situent à ce point critique entre la transparence et l'opacité. Il pointe en particulier un mélange d'aniline et de cyclohexane qui est non miscible en dessous de 35 degrés C. Au-dessus de cette température, cependant, les liquides se mélangent joyeusement, créant des régions avec des permittivités différentes.

L'effet intéressant se produit dans la couche entre eux au fur et à mesure qu'ils se mélangent, qui devient entièrement opaque à la température critique. Mais en raison des fluctuations thermiques, de petites régions scintillent constamment dans et hors d'opacité, piégeant et libérant de la lumière dans le processus. Ce comportement est assez similaire au comportement de l'espace-temps physique réel à l'échelle de Planck, explique Smolyaninov.

En d'autres termes, à la température critique, cette substance est analogue à la mousse quantique.

Smolyninov n'a pas réellement fait cette expérience, mais il n'y a rien à ce sujet qui semble particulièrement délicat. Vous pouvez le faire dans un flacon ou un tube à essai ordinaire. En fait, il termine son article en disant : Cet effet semble être important et facile à observer.

Ce qui signifie que bientôt, les physiciens auront leur propre version de la mousse quantique avec laquelle jouer en laboratoire.

Réf : arxiv.org/abs/1101.4625 :Trous noirs virtuels dans les métamatériaux hyperboliques

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