1971年、英国の物理学者ロジャー・ペンローズは、回転するブラックホールからエネルギーを抽出できると提案した。粒子がエルゴ球面、すなわち時空がブラックホールの回転に引きずられる領域に入ると、二つに分裂し、一方の破片は負のエネルギーで落下し、もう一方は到着時よりも多くのエネルギーを持って脱出する可能性がある。ソ連の物理学者ヤコフ・ゼルドビッチはこのアイデアを波動に拡張した。高速回転する物体に散乱する波動は増幅されて出てきて、物体の回転エネルギーの一部を運び去る可能性がある。
半世紀以上にわたり、これは理論的な予測にとどまり、ブラックホールを実験室で操作できないため直接検証することは不可能だった。今、ニューヨーク市立大学（CUNY）先端科学研究センターの研究者らは、重力も事象の地平面も可動部品も使わずに、ペンローズ・ゼルドビッチ過程の本質的な物理を再現する卓上デバイスを構築した。
7月8日にNatureに掲載され、Hadiseh NasariとAndrea Alùが率いるこの研究は、「フロケ回転超放射」、すなわち合成回転媒質との相互作用による電磁波の増幅を実証している。
超光速回転を偽装する方法
主要な課題は、物体を物理的に不可能な速度で回転させることなく、その表面で光速よりも速く回転する物体（ゼルドビッチ効果に必要な条件）を作り出すことであった。CUNYチームは、コイン大の結合電子共振器のリングを用いてこれを解決した。各共振器の電気的特性はリングの周囲で順次変調される。キャパシタンス変化の進行波が回転ストロボライトのように回路を掃引し、研究者らが「時空結晶」と呼ぶもの、すなわち空間（リング周囲）と時間（順次変調）の両方で特性が変化する媒質を生成する。
この合成媒質の実効回転速度は光速を超えることができる。これは物理的な物体がその限界を超えるからではなく、変調パターンが非変調回路を波動が伝播できるよりも速くリングを掃引するからである。この「超光速実効回転」は、システムのバンド構造に角運動量バンドギャップを開き、変調自体から特定の電磁波モードへエネルギーを転送するパラメトリック利得チャネルを生成する。
正しい軌道角運動量特性を持つ波動のみがこれらのチャネルに結合する。結果は角運動量選択的増幅である。合成回転から選択された波動モードへの安定したエネルギー転送、まさにペンローズ・ゼルドビッチ過程の波動アナログである。
「我々は、制御された実験室環境で極端な回転ダイナミクスを研究するための汎用的な実験プラットフォームを創り出しました」と、CUNY大学院特別教授でASRCフォトニクス・イニシアチブの創設ディレクターであるAlùは述べている。「これはフロケ工学、時間変動媒質、ブラックホールアナログ物理学を橋渡しするものです。」
実際に測定されたもの
チームは変調リング内の回転ドップラーシフトを測定し、超光速実効速度での角運動量バンドギャップの存在を確認し、散逸形状スペクトル帯域幅内での選択モードのパラメトリック増幅を観測した。増幅は広帯域であり、単一共鳴だけでなく周波数範囲全体で機能し、角運動量選択的である。つまり、電磁場の異なる回転モードは、合成回転への結合に応じて異なる増幅を受ける。
この実験は、実際の重力、時空の曲率、またはブラックホールを伴わない。電磁回路内でペンローズ・ゼルドビッチ過程の数学的かつ波動物理学的本質を再現する。これは、流動流体中の音響ブラックホールや非線形媒質中の光学ブラックホールなど、他の重力アナログにも適用されるのと同じ区別であり、数学的アナロジーによってそうでなければアクセス不可能な現象の研究が可能になる。
「これらのアイデアを実用的なデバイスに変換するにはさらなる作業が必要です」とNasariは述べた。研究者らは無線通信、フォトニクス、量子技術、広帯域信号処理における潜在的応用を特定したが、これらは依然として推測の域を出ない。
それでもなお、この実験は50年来の理論的予測を制御された実験室環境で検証し、回転媒質との波動相互作用を研究するための新たなプラットフォームを提供する。これは実験的にアクセスすることが極めて困難であった領域である。デバイスは小型で全電子式であり、エキゾチックな材料を使用せず、他の研究室でも容易に再現可能である。
雅子 訳
出典: Nasari, H., Moussa, H., Kasahara, Y. et al. “Observation of Floquet rotational super-radiance.” Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10725-y