Aan de Universiteit van Konstanz is een belangrijke stap gezet naar een volledig nieuwe experimentele toegang tot de kwantumfysica. Het team van wetenschappers onder leiding van professor Alfred Leitenstorfer heeft nu laten zien hoe het elektrische vacuümveld kan worden gemanipuleerd en zo afwijkingen van de grondtoestand van de lege ruimte kan genereren, wat alleen kan worden begrepen in de context van de kwantumtheorie van licht.

Met deze resultaten, de onderzoekers op het gebied van ultrasnelle fenomenen en fotonica bouwen voort op hun eerdere bevindingen, gepubliceerd in oktober 2015 in het wetenschappelijke tijdschrift Wetenschap , waar ze directe detectie van signalen uit het pure niets hebben aangetoond. Deze essentiële wetenschappelijke vooruitgang zou het mogelijk kunnen maken om problemen op te lossen waar natuurkundigen al lang mee worstelen, variërend van een dieper begrip van de kwantumaard van straling tot onderzoek naar aantrekkelijke materiaaleigenschappen zoals supergeleiding bij hoge temperaturen. De nieuwe resultaten worden op 19 januari 2017 gepubliceerd in het huidige online nummer van het wetenschappelijke tijdschrift Natuur .

Een toonaangevende optische meettechniek, ontwikkeld door het team van Alfred Leitenstorfer, maakte dit fundamentele inzicht mogelijk. Een speciaal lasersysteem genereert ultrakorte lichtpulsen die slechts enkele femtoseconden duren en dus korter zijn dan een halve lichtcyclus in het onderzochte spectrale bereik. Eén femtoseconde komt overeen met de miljoenste van een miljardste van een seconde. De extreme gevoeligheid van de methode maakt detectie van elektromagnetische fluctuaties mogelijk, zelfs bij afwezigheid van intensiteit, dat is, in volledige duisternis. theoretisch, het bestaan ​​van deze "vacuümfluctuaties" volgt uit het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Alfred Leitenstorfer en zijn team slaagden erin om deze fluctuaties voor de eerste keer en in het midden-infrarood frequentiebereik direct waar te nemen, waar zelfs conventionele benaderingen van de kwantumfysica nog niet eerder hebben gewerkt.

De conceptuele nieuwigheid van de experimenten is dat in plaats van de tot dusver gebruikte frequentiedomeintechnieken, de natuurkundigen uit Konstanz hadden rechtstreeks toegang tot kwantumstatistieken van licht in het tijdsdomein. Op een gekozen tijdstip, elektrische veldamplitudes worden direct gemeten in plaats van licht te analyseren in een smalle frequentieband. Het bestuderen van verschillende tijdstippen resulteert in karakteristieke ruispatronen die gedetailleerde conclusies mogelijk maken over de temporele kwantumtoestand van licht. Terwijl de laserpuls zich samen met het bestudeerde kwantumveld voortplant, de natuurkundigen van Konstanz kunnen, bij wijze van spreken, tijd tot stilstand brengen. uiteindelijk, ruimte en tijd, dat is "ruimte-tijd", gedragen zich absoluut gelijkwaardig in deze experimenten - een indicatie van de inherent relativistische aard van elektromagnetische straling.

Omdat de nieuwe meettechniek de te meten fotonen niet hoeft te absorberen of te versterken, het is mogelijk om de elektromagnetische achtergrondruis van het vacuüm direct te detecteren en dus ook de gecontroleerde afwijkingen van deze grondtoestand, gemaakt door de onderzoekers. "We kunnen kwantumtoestanden analyseren zonder ze in de eerste benadering te veranderen", zegt Alfred Leitenstorfer. De hoge stabiliteit van de Konstanz-technologie is een belangrijke factor voor de kwantummetingen, omdat het achtergrondgeluid van hun ultrakorte laserpulsen extreem laag is.

Door het vacuüm te manipuleren met sterk gefocuste femtoseconde pulsen, de onderzoekers komen met een nieuwe strategie om "squeezed light" te genereren, een zeer niet-klassieke toestand van een stralingsveld. De lichtsnelheid in een bepaald segment van de ruimte-tijd wordt opzettelijk veranderd met een intense puls van de femtoseconde laser. Deze lokale modulatie van de voortplantingssnelheid "knijpt" het vacuümveld, wat neerkomt op een herverdeling van vacuümfluctuaties. Alfred Leitenstorfer vergelijkt dit mechanisme van de kwantumfysica grafisch met een file op de snelweg:vanaf een bepaald punt sommige auto's gaan langzamer. Als resultaat, verkeersopstoppingen ontstaan ​​achter deze auto's, terwijl de verkeersdichtheid voor dat punt zal afnemen. Dat betekent:wanneer fluctuatieamplitudes op één plaats afnemen, ze nemen toe in een andere.

Terwijl de fluctuatieamplitudes positief afwijken van de vacuümruis bij tijdelijk toenemende lichtsnelheid, een vertraging resulteert in een verbazingwekkend fenomeen:het gemeten ruisniveau is lager dan in de vacuümtoestand - dat wil zeggen, de grondtoestand van de lege ruimte.

De eenvoudige illustratie met het verkeer op een snelweg, echter, bereikt snel zijn grenzen:in tegenstelling tot dit "klassieke natuurkunde"-beeld, waar het aantal auto's constant blijft, de ruisamplitudes veranderen compleet anders met toenemende versnelling en vertraging van de ruimtetijd. Bij een matige "knijpen", het geluidspatroon is vrij symmetrisch rond het vacuümniveau verdeeld. Met toenemende intensiteit, echter, de afname verzadigt onvermijdelijk naar nul. De overtollige ruis die een paar femtoseconden later wordt opgebouwd, in tegenstelling tot, neemt niet-lineair toe - een direct gevolg van het karakter van het onzekerheidsbeginsel als een algebraïsch product. Dit fenomeen kan worden gelijkgesteld met het genereren van een zeer niet-klassieke toestand van het lichtveld, waarin, bijvoorbeeld, er ontstaan ​​altijd twee fotonen tegelijk in hetzelfde volume van ruimte en tijd.

Het experiment dat in Konstanz werd uitgevoerd, roept tal van nieuwe vragen op en belooft spannende studies te worden. Volgende, de natuurkundigen proberen de fundamentele grenzen van hun gevoelige detectiemethode te begrijpen, waardoor de kwantumtoestand schijnbaar intact blijft. In principe, elke experimentele analyse van een kwantumsysteem zou uiteindelijk zijn toestand verstoren. Momenteel, nog steeds moet er een groot aantal individuele metingen worden uitgevoerd om tot een resultaat te komen:20 miljoen herhalingen per seconde. De natuurkundigen kunnen nog niet met zekerheid zeggen of het een zogenaamde "zwakke meting" is in conventionele termen van de kwantumtheorie.

De nieuwe experimentele benadering van kwantumelektrodynamica is pas de derde methode om de kwantumtoestand van licht te bestuderen. Nu rijzen fundamentele vragen:wat is precies het kwantumkarakter van licht? Wat is eigenlijk een foton? Wat betreft de laatste vraag, zoveel is de Konstanz-fysici duidelijk:in plaats van een gekwantiseerd pakket energie is het eerder een maat voor de lokale kwantumstatistieken van elektromagnetische velden in ruimte-tijd.