Måling af lys- og vakuumsvingninger fra et tidsflowperspektiv

Nogle af de største ubesvarede spørgsmål om universets natur er relateret til lys, vakuumet (dvs. rum, hvor hverken stof eller stråling eksisterer), og deres forhold til tiden. I fortiden, fysikere og filosoffer har behandlet en række komplekse spørgsmål, for eksempel, hvad er arten af ​​vakuumet, og hvordan er lysets udbredelse forbundet med tidens gang?

Forskere ved universitetet i Konstanz har for nylig udført en undersøgelse, der udforsker kvantetilstande af lys og vakuumfluktuationer, samt deres samspil med tiden. Deres papir, udgivet i Naturfysik , introducerer en ny teoretisk ramme til at beskrive kvantetilstande af både lys og vakuum på ultrakorte tidsskalaer.

Forskernes undersøgelse fokuserer på "klemt lys, " som i det væsentlige er sammensat af lysimpulser med omfordelte eller 'klemmede' elektromagnetiske udsving. Kizmann og hans kolleger var i stand til at afsløre eksistensen af ​​en direkte afhængighed mellem de elektromagnetiske felter af lys eller vakuum og tid.

"Omkring 2015, vores kolleger professor Alfred Leitenstorfer og hans gruppe, også fra universitetet i Konstanz, var de første til at demonstrere eksperimentelt, at lysets vakuumfluktuationer kan måles direkte, "Matthias Kizmann en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Siden da, vi har været interesseret i at udvikle en ny teori til at beskrive vakuumsvingninger, der finder sted over meget korte varigheder. Dette førte os til spørgsmålet om, hvorvidt vakuumfluktuationer også kunne manipuleres på meget korte varigheder for at generere såkaldt klemt lys."

I deres papir, forskerne beskriver samspillet mellem et stærkt felt kaldet et "pumpe" felt, og det elektromagnetiske vakuum inde i en ikke-lineær krystal. Som et resultat af denne interaktion, feltet omfordeler vakuumsvingningerne i tid, resulterer i tidsintervaller, hvor disse udsving enten forstærkes eller undertrykkes. Denne proces er kendt som klemning.

"Som regel, man skal beregne hele det elektriske felt for at beskrive de resulterende effekter, men nu fandt vi ud af, hvordan man kan beskrive klemningen som en ændring i tidens flow, " Kizmann forklarede. "Klemte tilstande hører til i en bredere klasse af såkaldte ikke-klassiske lystilstande. Disse former for tilstande udviser forskellige fascinerende og nye egenskaber i modsætning til mere klassisk laserlys. Som sådan, ikke-klassiske lystilstande spiller en vigtig rolle i udviklingen af ​​fremtidige teknologier inden for kvanteinformation eller kvantespektroskopi."

Kizmann og hans kolleger har samlet interessante observationer, der beskriver, hvordan lys og vakuum er relateret til tid. De udviklede en fysisk model, der kan bruges til at beskrive kvantetilstande af det elektromagnetiske felt for både lys og vakuum på ultrakorte tidsskalaer. Deres papir beskriver også, hvordan det elektromagnetiske felt i et vakuum, kendt som vakuumsvingninger, kan manipuleres.

I det væsentlige, lys består af bølger, eller oscillerende elektriske og magnetiske felter. I det 19. århundrede, folk troede, at i mørket, disse felter er lig nul. Kvanteteori, imidlertid, anfører, at et mørkt tomt rum faktisk ikke er helt tomt, da den indeholder små udsving, der giver anledning til små bevægelser i markerne, kendt som vakuumsvingninger. Disse udsving er kendt for at blive omfordelt fra en variabel til en anden (f.eks. fra elektriske til magnetiske felter), som er sammenklemningen af ​​vakuumet.

"Vi har undersøgt, hvordan vakuumsvingningerne kan manipuleres i tid og fundet ud af, at vi også kan omfordele fluktuationer fra et tidspunkt i tid til et andet, "Guido Burkard, ledende forsker for undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Det viser sig, at tidens flow set fra lysimpulsen kan modificeres i et ikke-lineært optisk materiale, og denne ændring i tidens flow er direkte relateret til ændringen i fluktuationer."

Observationerne indsamlet af Kizmann, Burkard og deres kolleger har nogle ligheder med tidens relativitet i relativitetsteorien. I deres papir, de drager en analogi mellem kvantemekanik og relativitetsteorien, to områder inden for fysik, som tidligere studier ofte har kæmpet for at forene. Deres observationer og den analogi, de præsenterede, kunne i sidste ende forbedre vores nuværende forståelse af forholdet mellem kvantefysik og relativitet. Forskerne mener også, at ultrakorte impulser af sammenpresset kvantelys snart kan demonstreres og observeres i laboratoriet.

"Vi tror, ​​at tilstande af kvantelys af minuts varighed ned til et femtosekund (10 ^-15 sekunder) vil snart blive realiseret og karakteriseret eksperimentelt, " Andrey Moskalenko, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Så kan de bruges som et nyt kvanteværktøj i ultrahurtig spektroskopi, sonderingsprocesser i stof på så korte varigheder. Dette ville give adgang til en i øjeblikket skjult, men meget vigtig overflod af ultrahurtige fænomener, som bestemmer nøgleegenskaberne for nye kvanteanordninger."

Studiet tilbyder fascinerende ny indsigt om kvantetilstande af lys og vakuum, og deres forhold til tiden. Teorien, de udviklede, kunne i sidste ende lette brugen af ​​tidsafhængige kvantetilstande af lys i kvanteoptik og kvanteinformationsapplikationer. I deres fremtidige arbejde, forskerne planlægger at udforske dette emne yderligere, undersøger sammenhængen mellem de små bevægelser, der opstår i et vakuum, og et fænomen kaldet kvantesammenfiltring.

"Vi er nysgerrige på, hvordan disse omfordelinger af kvanteudsving er relateret til kvantesammenfiltring, fænomenet, der giver næring til kvantecomputere og repræsenterer en ressource til sikker kvantekommunikation., " sagde Burkard. "Vi vil også gerne vide, hvordan måling (dvs. 'ser på') vakuumfelterne påvirker disse udsving, og hvordan pressede tilstande kan bruges til ultrahurtig spektroskopi."

© 2019 Science X Network