Wave propagation in metamaterials mimicking spacetime geometryblack holes and cosmic strings

Resumen

La investigación en gravitación análoga consiste en el estudio de sistemas físicos donde se pueden reproducir algunos de los fenómenos propios de relatividad general. Esta tesis se centra en la conocida propagación análoga de las ondas electromagnéticas en un espacio-tiempo curvado y en un medio con una permitividad y permeabilidad generalmente anisótropas. Para la realización de este tipo de medios, fue necesaria la aparición de los metamateriales, materiales artificiales diseñados para tener propiedades electromagnéticas fuera de lo común. En este contexto, se estudian modelos análogos a dos objetos estáticos con distinta simetría: uno con simetría esférica y otro con topología cónica. Ambos casos están motivados por soluciones a las ecuaciones de Einstein: el agujero negro de Schwarzschild y la cuerda cósmica, respectivamente. A través de las ecuaciones de óptica de transformación, determinamos los parámetros de los medios análogos a estos espacio-tiempos. Estudiamos la propagación de ondas electromagnéticas en los materiales obtenidos mediante simulaciones numéricas y comparamos los resultados con teorías analíticas, encontrando muy buen acuerdo. Por un lado, los contrastamos con las geodésicas en los espacio-tiempos considerados a través del formalismo Hamiltoniano. Por otro lado, desarrollamos modelos analíticos para describir la difracción de una onda (en principio tanto electromagnética como gravitatoria) debido a la cuerda cósmica. Para ello, usamos teorías asintóticas de difracción en un espacio virtual plano con un déficit de ángulo, ya que es una representación equivalente a la geometría cónica de la cuerda. De este modo, se obtienen expresiones que nos permiten explicar detalladamente los fenómenos ondulatorios de interferencia y difracción que se producen en este espacio-tiempo. Observamos que estos efectos pueden ser comparables a los términos de óptica geométrica: añaden una modulación en la amplificación del campo relacionada con la formación de imágenes dobles propia de la topología de la cuerda. Cabe destacar que estos fenómenos son conceptualmente distintos a los que se podrían esperar en la difracción sobre un objeto sólido como una barra. Utilizando nuestros modelos analíticos, obtenemos el patrón de difracción característico de la cuerda cósmica, que podría ser de interés para su detección.