Udsving i tomrummet

I kvantefysikken, et vakuum er ikke tomt, men temmelig gennemsyret af små udsving i det elektromagnetiske felt. Indtil for nylig var det umuligt at studere disse vakuumudsving direkte. Forskere ved ETH Zürich har udviklet en metode, der giver dem mulighed for at karakterisere udsvingene i detaljer.

Tomhed er ikke rigtig tom - ikke ifølge kvantefysikkens love, I hvert fald. Vakuumet, hvor der klassisk set skal være "ingenting, "vrimler med såkaldte vakuumudsving i henhold til kvantemekanik. Det er små udflugter af et elektromagnetisk felt, for eksempel, det gennemsnitlige ud til nul over tid, men kan afvige fra det et kort øjeblik. Jérôme Faist, professor ved Institute for Quantum Electronics ved ETH i Zürich, og hans samarbejdspartnere er nu lykkedes at karakterisere disse vakuumudsving direkte for første gang.

"Vakuumudsvingene i det elektromagnetiske felt har klart synlige konsekvenser, og blandt andet er ansvarlige for, at et atom spontant kan udsende lys, "forklarer Ileana-Cristina Benea-Chelmus, en nyuddannet ph.d. studerende i Faists laboratorium og første forfatter af undersøgelsen, der for nylig blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Natur . "For at måle dem direkte, imidlertid, virker umuligt ved første øjekast. Traditionelle lysdetektorer som fotodioder er baseret på princippet om, at lyspartikler - og dermed energi - absorberes af detektoren. Imidlertid, fra vakuum, som repræsenterer den laveste energitilstand i et fysisk system, ingen yderligere energi kan udvindes. "

Elektrooptisk detektion

Faist og hans kolleger besluttede derfor at måle det elektriske felt af udsvingene direkte. Til det formål, de brugte en detektor baseret på den såkaldte elektro-optiske effekt. Detektoren består af en krystal, hvor polarisationen (svingningsretningen, det vil sige) af en lysbølge kan roteres af et elektrisk felt - f.eks. ved vakuumfluktuationernes elektriske felt. På denne måde, at elektrisk felt efterlader et synligt mærke i form af en modificeret polariseringsretning af lysbølgen. To meget korte laserpulser, der varer i en brøkdel af en tusindedel af en milliarddel af et sekund, sendes gennem krystallen på to forskellige punkter og på lidt forskellige tidspunkter, og bagefter, deres polarisationer måles. Ud fra disse målinger, de rumlige og tidsmæssige korrelationer mellem de øjeblikkelige elektriske felter i krystallen kan endelig beregnes.

For at kontrollere, at de således målte elektriske felter faktisk stammer fra vakuumudsvingene og ikke fra den termiske sorte kropsstråling, forskerne afkølede hele måleudstyret til -269 grader celsius. Ved så lave temperaturer, stort set ingen fotoner af den termiske stråling forbliver inde i apparatet, så at de udsving i det elektriske felt, der er til overs, skal komme fra vakuumet. "Stadig, det målte signal er helt lille, "ETH-professor Faist indrømmer, "og vi var virkelig nødt til at maksimere vores eksperimentelle evner til at måle meget små felter." Ifølge Faist, en anden udfordring er, at frekvenserne af de elektromagnetiske udsving målt ved hjælp af den elektrooptiske detektor ligger i terahertz-området, det er, omkring et par tusinde milliarder svingninger i sekundet. I deres eksperiment, forskerne på ETH formåede stadig at måle kvantefelter med en opløsning, der er under en svingningscyklus af lys i både tid og rum.

Måling af eksotiske vakuumudsving

Forskerne håber, at de i fremtiden vil kunne måle endnu flere eksotiske tilfælde af vakuumudsving ved hjælp af deres metode. I nærvær af stærke vekselvirkninger mellem fotoner og stof, som kan opnås, for eksempel, inde i optiske hulrum, ifølge teoretiske beregninger skal vakuumet befolket med et væld af såkaldte virtuelle fotoner. Metoden udviklet af Faist og hans samarbejdspartnere burde gøre det muligt at teste disse teoretiske forudsigelser.