In de kwantumfysica, een vacuüm is niet leeg, maar eerder doordrenkt van kleine fluctuaties van het elektromagnetische veld. Tot voor kort was het onmogelijk om die vacuümfluctuaties direct te bestuderen. Onderzoekers van ETH Zürich hebben een methode ontwikkeld waarmee ze de fluctuaties tot in detail kunnen karakteriseren.

Leegte is niet echt leeg – niet volgens de wetten van de kwantumfysica, in ieder geval. Het vacuum, waarin klassiek wordt verondersteld te zijn "niets, “Volgens de kwantummechanica krioelt het van zogenaamde vacuümfluctuaties. Dat zijn kleine uitschieters van een elektromagnetisch veld, bijvoorbeeld, dat gemiddelde in de loop van de tijd uit tot nul, maar kan er even van afwijken. Jérôme Faist, professor aan het Institute for Quantum Electronics aan de ETH in Zürich, en zijn medewerkers zijn er nu voor het eerst in geslaagd om die vacuümfluctuaties direct te karakteriseren.

"De vacuümschommelingen van het elektromagnetische veld hebben duidelijk zichtbare gevolgen, en onder andere zijn verantwoordelijk voor het feit dat een atoom spontaan licht kan uitstralen, " legt Ileana-Cristina Benea-Chelmus uit, een onlangs afgestudeerde Ph.D. student in het laboratorium van Faists en eerste auteur van de studie die onlangs is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur . "Om ze direct te meten, echter, lijkt op het eerste gezicht onmogelijk. Traditionele lichtdetectoren zoals fotodiodes zijn gebaseerd op het principe dat lichtdeeltjes – en dus energie – door de detector worden geabsorbeerd. Echter, uit het vacuüm, die de laagste energietoestand van een fysiek systeem vertegenwoordigt, geen verdere energie kan worden gewonnen."

Elektro-optische detectie

Faist en zijn collega's besloten daarom het elektrische veld van de fluctuaties direct te meten. Daartoe, ze gebruikten een detector op basis van het zogenaamde elektro-optische effect. De detector bestaat uit een kristal waarin de polarisatie (de trillingsrichting, dat wil zeggen) van een lichtgolf kan worden geroteerd door een elektrisch veld - bijvoorbeeld door het elektrische veld van de vacuümfluctuaties. Op deze manier, dat elektrische veld laat een zichtbaar merkteken achter in de vorm van een gewijzigde polarisatierichting van de lichtgolf. Twee zeer korte laserpulsen van een fractie van een duizendste van een miljardste van een seconde worden op twee verschillende punten en op enigszins verschillende tijdstippen door het kristal gestuurd. en daarna, hun polarisaties worden gemeten. Uit die metingen de ruimtelijke en temporele correlaties tussen de momentane elektrische velden in het kristal kunnen eindelijk worden berekend.

Om te verifiëren dat de aldus gemeten elektrische velden werkelijk voortkomen uit de vacuümfluctuaties en niet uit de thermische zwartlichaamstraling, de onderzoekers koelden het hele meetapparaat af tot -269 graden Celsius. Bij zulke lage temperaturen er blijven in wezen geen fotonen van de warmtestraling in het apparaat, zodat de fluctuaties van het elektrische veld die overblijven uit het vacuüm moeten komen. "Nog altijd, het gemeten signaal is absoluut klein, ETH-hoogleraar Faist geeft toe, "en we moesten echt onze experimentele mogelijkheden voor het meten van zeer kleine velden maximaliseren." Volgens Faist, een andere uitdaging is dat de frequenties van de elektromagnetische fluctuaties gemeten met de elektro-optische detector in het terahertz-bereik liggen, dat is, ongeveer een paar miljard oscillaties per seconde. In hun experiment hebben de wetenschappers van ETH slaagden er nog steeds in om kwantumvelden te meten met een resolutie die lager is dan een oscillatiecyclus van licht in zowel tijd als ruimte.

Exotische vacuümfluctuaties meten

De onderzoekers hopen met hun methode in de toekomst nog meer exotische gevallen van vacuümfluctuaties te kunnen meten. In aanwezigheid van sterke interacties tussen fotonen en materie, die kan worden bereikt, bijvoorbeeld, binnen optische holten, volgens theoretische berekeningen zou het vacuüm gevuld moeten worden met een veelvoud aan zogenaamde virtuele fotonen. De door Faist en zijn medewerkers ontwikkelde methode moet het mogelijk maken om die theoretische voorspellingen te toetsen.