Жидкий свет сымитировал черную дыру

Группа физиков из США и Франции заставила поток поляритонов вести себя подобно черной дыре: запертый между зеркалами и разогнанный до сверхзвуковой скорости жидкий свет испустил запутанные кванты, аналогичные излучению Хокинга. Ученые измерили радиационную температуру (она оказалась равной трем кельвинам) и зафиксировали в среде стоячие волны с отрицательной энергией. Авторы работы сообщили, что дальнейшие эксперименты позволят подробнее исследовать экзотические компактные объекты в лабораторных условиях. Результаты исследования опубликованы в Physical Review Letters.

Квантовая теория поля предсказывает следующий интересный факт: если физическое поле поместить в искривленное пространство-время, а затем немного потревожить его кривизну, то такие небольшие модуляции приведут к усилению парных возбуждений и возникновению не только классических, но и квантовых корреляций. Самый известный пример такого явления — так называемое излучение Хокинга, суть которого состоит в том, что черные дыры непрерывно испускают фотоны из-за квантового туннелирования. Более подробно об этом феномене можно прочесть в нашем материале «Уйдем по направлению световой бесконечности».

Однако необязательно создавать в лаборатории черную дыру, чтобы детальнее изучить излучение Хокинга — вместо этого можно просто использовать какую-нибудь квантовую жидкость. Дело в том, что при ускорении подобной субстанции до сверхзвуковой скорости в ней возникает эффективная кривизна для акустических возбуждений, которые в свою очередь захватываются в акустический горизонт. Этот горизонт аналогичен горизонту событий у черных дыр — соответственно, вокруг него может возникнуть излучение Хокинга.

Физики из США и Франции под руководством Альберто Брамати (Alberto Bramati) из Университета Сорбонна создали симулятор излучения Хокинга на основе поляритонной жидкости. Благодаря контролируемой кривизне акустического горизонта ученые также зафиксировали волны с отрицательной энергией.

Чтобы сымитировать излучение черной дыры в лабораторных условиях, исследователи встроили квантовую яму в микрополость между двумя зеркалами, в которой находились экситоны (квазичастицы, представляющие собой связанное состояние электрона и дырки). Затем физики осветили микрополость когерентным светом, что повлекло за собой появление поляритонов, которые коллективно начали вести себя подобно жидкому свету. Эту текучую среду физики побудили к движению с увеличивающейся скоростью и появлению звуковых волн. Акустические горизонты в эксперименте сработали как статические потенциалы, на которых рассеялись возбуждения, что привело к смешиванию операторов рождения и уничтожения, то есть сжатию полевых возбуждений. Как и в случае черных дыр, это стало причиной энергетической нестабильности пространства-времени из-за испускания запутанных квантов.

В итоге ученые зафиксировали три спектра возбуждения, которые соответствовали трем конфигурациям пространства-времени. Первые две продемонстрировали отчетливое излучение Хокинга, при этом поток которого (отношение числа частиц в единицу времени и полосы пропускания) увеличился с ростом кривизны. В третьей конфигурации физики увидели стоячие волны с отрицательной энергией. Этот результат исследователи объяснили возможными особенностями термодинамического соотношения площади и энтропии черных дыр. Помимо этого, экспериментаторы измерили температуру Хокинга, то есть температуру излучения симулируемой черной дыры — она оказалась равной трем кельвинам.

Также авторы работы отметили, что их экспериментальная методика позволит в будущем моделировать более сложные экзотические объекты: например, черные дыры в эргосфере — области между горизонтом событий и пределом статичности.

Ученые не первый раз экспериментируют с квантовыми жидкостями: мы писали ранее о том, как физики услышали нулевой и обычный звук в ферми-жидкости.