Oltre mezzo secolo fa, Sir Roger Penrose immaginò uno scenario in cui, in teoria, da un buco nero in rapida rotazione si potesse estrarre energia. Poco dopo, il fisico Yakov Zel’dovich ipotizzò che un’onda che interagisce con un oggetto in rapida rotazione guadagnasse energia, risultando amplificata. L’oggetto rotante rallenta impercettibilmente e cede quell’energia all’onda. È un fenomeno noto come superradianza, imparentato con altri processi in cui il superamento di una velocità critica innesca emissione o amplificazione, come l’effetto Čerenkov. Il problema è che, per osservarlo davvero, servono velocità di rotazione estreme, impossibili da raggiungere facendo girare un oggetto reale: nessun materiale reggerebbe, si disintegrerebbe prima. Ecco perché, per decenni, la superradianza rotazionale è rimasta quasi soltanto un risultato sulla carta.
Rappresentazione artistica della superradianza di Penrose: onde elettromagnetiche con determinati pattern di rotazione vengono amplificate mentre interagiscono con un sistema che sembra ruotare a velocità superluminali. Crediti: Dalila Pasotti e Hadiseh Nasari
Ora un gruppo di ricercatori dell’Advanced Science Research Center della City University of New York (Cuny Asrc) è riuscito ad aggirare l’ostacolo, pubblicando su Nature un articolo che presenta un nuovo approccio all’amplificazione delle onde tramite l’interazione con corpi rotanti.
La loro idea è tanto semplice quanto ingegnosa: non far ruotare nulla. Hanno costruito un anello di risonatori elettronici le cui proprietà venivano modulate rapidamente secondo una sequenza temporale accuratamente calibrata, generando un pattern in movimento lungo l’anello. Sebbene il dispositivo di per sé non si muovesse, il pattern in movimento faceva sì che le onde elettromagnetiche percepissero il sistema come se ruotasse a velocità ultraveloce.
Volendo semplificare (forse troppo, ma rende l’idea), funziona un po’ come le luci di un’insegna che sembrano correre lungo il bordo pur restando ferme. Per un’onda che attraversa il sistema, quel motivo in movimento è indistinguibile da un oggetto in rotazione.
Il vantaggio di questa “rotazione sintetica” è che può essere resa velocissima, ben oltre i limiti di qualsiasi rotazione meccanica, fino a simulare velocità superiori a quella della luce (senza violare alcun principio fisico, perché a muoversi non è un oggetto reale ma solo un pattern). E a quelle velocità l’effetto previsto da Penrose e Zel’dovich si manifesta davvero: le onde con le giuste caratteristiche hanno estratto energia dal sistema e ne sono uscite amplificate.
«Le onde con le opportune caratteristiche rotazionali estraevano energia dal sistema e venivano amplificate, riproducendo la fisica essenziale del processo Penrose-Zel’dovich», commenta Hady Moussa, del Cuny Asrc, coautore dello studio. «Il nostro approccio si basa su metamateriali ingegnerizzati, progettati per controllare il modo in cui le onde si propagano».
«La riuscita di questo esperimento porta le idee sulla dinamica rotazionale estrema dalla teoria alla pratica», conclude la prima autrice Hadiseh Nasari, ricercatrice del Cuny Asrc, «e crea una piattaforma sperimentale versatile per esplorare fenomeni all’intersezione tra astrofisica, fisica delle onde e scienza quantistica».
Il risultato porta così su un banco di laboratorio una fisica che finora si poteva solo calcolare pensando ai buchi neri: un terreno di gioco nuovo, controllabile e riproducibile, per indagare regimi estremi altrimenti inaccessibili. E guardando al futuro, gli stessi concetti potranno essere estesi a piattaforme fotoniche e quantistiche, con ricadute che vanno dalla ricerca fondamentale alle comunicazioni wireless, fino all’ottica classica e quantistica.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature l’articolo “Observation of Floquet rotational super-radiance” di Hadiseh Nasari, Hady Moussa, Yoshiaki Kasahara, Arno Thielens & Andrea Alù