Forståelse af vakuumsvingninger i rummet

Et internationalt forskerhold fra Tyskland og Frankrig har skabt strukturer, hvor lysfelter interagerer med elektroner så stærkt, at selve kvantevakuumet ændres markant. Ved at bruge ekstremt korte lysudbrud, de afbrød denne kobling meget hurtigere end tidsskalaen for en vakuumfluktuation og observerede en spændende ringning af det udsendte elektromagnetiske felt, indikerer sammenbrud af vakuumtilstanden. Deres vigtigste præstation kunne forbedre vores forståelse af intethedens natur – selve rummets vakuum, baner en vej mod fotonik, der udnytter vakuumsvingninger. Resultaterne er offentliggjort i det aktuelle nummer af Naturfotonik .

En af kvantemekanikkens nøgleindsigter er, at det absolutte intet, et koncept, der allerede er diskuteret af græske filosoffer, er ingen steder at finde i virkeligheden. Tværtimod, kvantefeltteori har vist, at tilsyneladende tomme rum fyldes af fluktuationer af lys- og stoffelter, fører til en kontinuerlig dukker op i eksistensen og forsvinden af ​​fotoner såvel som massive partikler. I kvantemekanikkens begyndelsestid, disse konsekvenser af Heisenbergs usikkerhedsprincip blev ofte ikke taget for alvorligt. Imidlertid, moderne fysik opdager i stigende grad, hvordan vores univers er formet af udsving i fysiske felter, som ikke kun fører til små skift af spektrallinjer af atomer, men kan desuden forårsage fordampning af sorte huller, og er i sidste ende ansvarlige for den store struktur i vores univers, dannet under inflationsperioden efter big bang. Alligevel har det været ekstremt udfordrende at kontrollere disse fluktuationer i laboratorieskala med den relevante tidsmæssige præcision til denne dato.

Forskere omkring Prof. Dr. Christoph Lange, Prof. Dr. Dominique Bougaard, og Prof. Dr. Rupert Huber (Institutt for Fysik, University of Regensburg) såvel som prof. Dr. Cristiano Ciuti (Université de Paris) har nu taget et stort spring i retning af at kontrollere stærkt forstærkede vakuumsvingninger meget hurtigere end typiske tidsskalaer for virtuelle fotoner. Til denne ende, de skabte en specialiseret halvlederstruktur, hvor elektroner er ekstremt stærkt koblet til lysfelterne i bittesmå antenner designet til det såkaldte terahertz-spektralområde.

Som resultat, vakuumfluktuationer af lys- og stoffelter deltager i samspillet, kraftigt øge tilstedeværelsen af ​​virtuelle fotoner - selv i fuldstændig mørke. "Det vigtigste skridt fremad var så at implementere funktionalitet for at slukke denne kobling ekstremt hurtigt, ", forklarer Ph.D.-studerende Maike Halbhuber.

"Vi var glade, da de første data viste, at slukningen fungerede perfekt. Men vi var begejstrede, da avancerede eksperimenter viste en spændende, uventet svingning af lysfeltet under skift, ", tilføjer Ph.D.-studerende Joshua Mornhinweg. Analyserer denne ringning af det kollapsende kvantevakuum ved hjælp af en skræddersyet teori, forskerne viste, at skiftet sker inden for blot en tiendedel af en trilliontedel af et sekund - mere end ti gange hurtigere end en oscillationscyklus for en virtuel foton.

De vigtigste resultater af tilpassede kvantevakuumtilstande med rekordpopulationer af virtuelle fotoner, og undercykluskontrol af svage nulpunktsudsving giver et hidtil uset niveau af fleksibilitet til fremtidige undersøgelser. Som et umiddelbart næste skridt, holdet vil søge efter direkte beviser for virtuelle fotoner, der dukker op under skift af designet kvantevakua. Endnu, omfanget af denne forskningsidé vil sandsynligvis udvides meget yderligere.

"Implementering af undercykluskontrol af vakuumfelter for eksisterende koncepter såsom hulrumskvantekemi, hulrumsstyret transport, eller vakuummodificeret superledning kan optrevle kvalitativt ny information om samspillet mellem vakuumfelter og stof, " Prof. Lange siger. Fremtidige eksperimenter kan ikke kun adressere arten af ​​vakuumsvingninger, men giver desuden mulighed for at kontrollere kemiske reaktioner eller superledende strømme, blot ved at skifte vakuumfeltet på de korteste relevante tidsskalaer.