研究人员利用一种能够产生合成超快旋转的静止装置，重现了从旋转黑洞提取能量的物理机制。这一成果将一项长期存在的理论构想转化为实际实验，并可能启发光学、无线通信和量子科学领域的新进展。
现在，纽约市立大学研究生中心高级科学研究中心（CUNY ASRC）的研究人员展示了一种受这些长期理论启发的实验方法。该团队在《自然》期刊上撰文指出，利用一种模拟极端旋转而无需物理转动的装置，可以实现波的放大。
合成旋转重现极端物理学
研究人员没有采用机械方式旋转物体，而是构建了一种射频装置，其特性在空间和时间上都能快速改变。这种经过精心设计的系统创造了超快旋转的错觉，其有效转速远超传统机械系统所能达到的水平。通过用合成旋转替代物理运动，研究人员克服了几十年来限制极端旋转物理学实验研究的挑战。
“我们的方法促进了一种新的波与物质相互作用方式，具有特定旋转特性的波从合成的时间工程旋转中提取能量，从而产生一种形式的宽带选择性放大，”项目负责人、纽约市立大学研究生中心杰出教授兼爱因斯坦物理学教授、CUNY ASRC光子学倡议创始主任Andrea Alù说道。
第一作者、CUNY ASRC光子学倡议的博士后研究员Hadiseh Nasari表示，这项实验将一个长期存在的理论概念转化为了一种实用的研究工具。
“这次成功的实验将关于极端旋转动力学的想法从理论推向实践，并创建了一个通用的实验平台，用于探索天体物理学、波物理学和量子科学交叉领域的广泛现象，”Nasari说。“这项工作对基础科学以及通信、光学和光子学的进步具有重要意义。”
实验原理
研究人员旨在回答一个基本问题：与完全静止装置相互作用的电磁波，能否表现得如同遇到了超高速旋转的物体，并从这种合成运动中汲取能量？
为了进行研究，他们构建了一个电子谐振器环，其特性按照精心同步的顺序进行快速调节。虽然硬件本身从未移动，但这些定时变化在环周围产生了一种行波模式。结果，电磁波有效地将系统体验为仿佛正在以极快速度旋转。
“具有适当旋转特征的波从系统中提取能量并被放大，重现了彭罗斯-泽尔多维奇过程的核心物理学，”共同第一作者、CUNY ASRC光子学倡议的前博士生Hady Moussa说。“我们的方法依赖于经过工程设计的超材料，这些材料旨在控制波的传播方式。”
黑洞物理学之外的潜在应用
由于合成旋转可以模拟超越光速的运动，研究人员现在拥有了一个受控的实验室平台，用于探索那些原本无法直接研究的物理领域。这项工作为研究极端物理学创造了新机遇，同时也指明了无线通信、光学、光子学和量子技术未来的发展方向。
研究人员指出，在这些想法转化为实用设备之前，还需要开展更多工作。他们还认为，同样的原理可以应用于光子和量子系统，为控制光、处理信息以及研究受宇宙中一些最极端环境启发的波动行为开辟了新的可能性。
该研究得到了美国国防部、美国国家科学基金会和西蒙斯基金会的支持。