Physiker gewinnen Energie aus Wellen durch synthetische Rotation – ganz ohne bewegte Teile

Vor mehr als einem halben Jahrhundert beschrieb Roger Penrose einen eigentümlichen Weg, einem rotierenden Schwarzen Loch Energie zu entziehen. Ein Teilchen, das in die Ergosphäre eintritt – jenen Bereich des Raums, der von der Rotation mitgerissen wird –, könne sich in zwei Teile spalten: Der eine stürzt über den Horizont, während der andere davonfliegt und mehr Energie trägt als das Ganze zu Beginn. Der Physiker Jakow Seldowitsch argumentierte später, dass sich auf dieselbe Weise auch eine Welle verstärken lasse, wenn sie auf ein hinreichend schnell rotierendes Objekt treffe.

Diese Idee im Labor umzusetzen, war lange schwierig, denn die dafür nötigen Rotationsgeschwindigkeiten liegen weit jenseits dessen, was ein reales Objekt erreichen kann. Forschende am Advanced Science Research Center des CUNY Graduate Center berichten nun in Nature, dass sie das Problem vollständig umgangen haben – mit einem Gerät, das nur vorgibt, sich zu drehen.

Bewegung ohne Bewegung

Statt Materie in Rotation zu versetzen, baute das Team ein ringförmiges Netzwerk elektronischer Resonatoren und veränderte deren Eigenschaften in einer sorgfältig getakteten Abfolge. Die Anpassungen liefen als wanderndes Muster um den Ring, sodass sich ankommende elektromagnetische Wellen so verhielten, als träfen sie auf ein Medium, das sich mit enormer Geschwindigkeit dreht – schnell genug, um im Ergebnis die Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten –, obwohl sich physisch nichts bewegte.

Bei diesen synthetischen Geschwindigkeiten beobachteten die Forschenden, wie sich in der Bandstruktur des Systems Drehimpuls-Bandlücken öffneten. Wellen mit dem passenden Rotationscharakter entzogen der getakteten Modulation Energie und traten verstärkt hervor – gezielt und innerhalb eines Bandes, das durch die Verluste des Geräts geformt wird. Die Autorinnen und Autoren beschreiben das Ergebnis als ein Floquet-Regime rotierender Superradianz.

„Unser Ansatz ermöglicht eine neue Art der Wechselwirkung zwischen Welle und Materie, bei der Wellen mit ausgewählten Rotationseigenschaften einer synthetischen, zeitlich konstruierten Rotation Energie entziehen“, sagte Andrea Alù, der leitende Wissenschaftler des Projekts. Die Erstautorin Hadiseh Nasari erklärte, das Experiment „überführt Ideen über extreme Rotationsdynamik von der Theorie in die Praxis“. Der Co-Erstautor Hady Moussa merkte an, die verstärkten Wellen gäben „die wesentliche Physik des Penrose-Seldowitsch-Prozesses“ wieder, und zwar mithilfe eigens entworfener Metamaterialien.

Weil die Plattform extreme Rotation auf der Laborbank nachbildet, sieht die Gruppe darin eine kontrollierte Umgebung, um Physik zu untersuchen, die sonst der Astrophysik vorbehalten ist – neben möglichen Anwendungen in der drahtlosen Kommunikation sowie in der klassischen und der Quantenoptik. Die Arbeit wurde vom US-Verteidigungsministerium, der National Science Foundation und der Simons Foundation gefördert.