Een internationaal onderzoeksteam uit Duitsland en Frankrijk heeft structuren gemaakt waarin lichtvelden zo sterk interageren met elektronen dat het kwantumvacuüm zelf aanzienlijk verandert. Door gebruik te maken van extreem korte lichtflitsen, ze onderbraken deze koppeling veel sneller dan de tijdschaal van een vacuümfluctuatie en observeerden een intrigerend rinkelen van het uitgezonden elektromagnetische veld, wijzend op de ineenstorting van de vacuümtoestand. Hun belangrijkste prestatie zou ons begrip van de aard van het niets kunnen verbeteren - het vacuüm van de ruimte zelf, een weg vrijmaken voor fotonica die gebruik maakt van vacuümfluctuaties. De resultaten zijn gepubliceerd in het huidige nummer van Natuurfotonica .

Een van de belangrijkste inzichten van de kwantummechanica is dat het absolute niets, een concept dat al door Griekse filosofen is besproken, is in de werkelijkheid nergens te vinden. Integendeel, kwantumveldentheorie heeft aangetoond dat schijnbaar lege ruimte wordt gevuld door fluctuaties van licht- en materievelden, wat leidt tot een continu ontstaan ​​en verdwijnen van fotonen en massieve deeltjes. In de begindagen van de kwantummechanica, deze gevolgen van het onzekerheidsprincipe van Heisenberg werden vaak niet al te serieus genomen. Echter, moderne natuurkunde ontdekt steeds meer hoe ons universum wordt gevormd door fluctuaties van fysieke velden, die niet alleen leiden tot kleine verschuivingen van spectraallijnen van atomen, maar kan bovendien de verdamping van zwarte gaten veroorzaken, en zijn uiteindelijk verantwoordelijk voor de grootschalige structuur van ons universum, gevormd tijdens de inflatieperiode na de oerknal. Maar het beheersen van deze fluctuaties op laboratoriumschaal met de relevante temporele precisie is tot op heden uiterst uitdagend gebleven.

Onderzoekers rond Prof. Dr. Christoph Lange, Prof. Dr. Dominique Bougeard, en Prof. Dr. Rupert Huber (Departement Natuurkunde, Universiteit van Regensburg) en Prof. Dr. Cristiano Ciuti (Université de Paris) hebben nu een grote sprong gemaakt in de richting van het beheersen van sterk verbeterde vacuümfluctuaties, veel sneller dan de typische tijdschalen van virtuele fotonen. Hiertoe, ze creëerden een gespecialiseerde halfgeleiderstructuur waarin elektronen extreem sterk zijn gekoppeld aan de lichtvelden van kleine antennes die zijn ontworpen voor het zogenaamde terahertz-spectrale bereik.

Als resultaat, vacuümfluctuaties van licht- en materievelden nemen deel aan de interactie, waardoor de aanwezigheid van virtuele fotonen sterk toeneemt, zelfs in volledige duisternis. "De belangrijkste stap voorwaarts was toen om functionaliteit te implementeren om deze koppeling extreem snel uit te schakelen, "Promovendus Maike Halbhuber legt uit.

"We waren blij omdat uit de eerste gegevens bleek dat de uitschakeling perfect werkte. Maar we waren opgetogen toen geavanceerde experimenten een intrigerend, onverwachte oscillatie van het lichtveld tijdens het schakelen, " Promovendus Joshua Mornhinweg voegt toe. Het analyseren van dit rinkelen van het instortende kwantumvacuüm door een op maat gesneden theorie, de onderzoekers toonden aan dat de omschakeling plaatsvindt binnen slechts een tiende van een biljoenste van een seconde - meer dan tien keer sneller dan een oscillatiecyclus van een virtueel foton.

De belangrijkste prestaties van aangepaste kwantumvacuümtoestanden met recordpopulaties van virtuele fotonen, en subcycluscontrole van zwakke nulpuntfluctuaties bieden een ongekend niveau van flexibiliteit voor toekomstig onderzoek. Als een onmiddellijke volgende stap, het team zal zoeken naar direct bewijs van virtuele fotonen die opduiken tijdens het schakelen van ontworpen kwantumvacuüm. Nog, de reikwijdte van dit onderzoeksidee zal zeer waarschijnlijk nog veel verder worden uitgebreid.

"Het implementeren van subcycluscontrole van vacuümvelden voor bestaande concepten zoals holtequantumchemie, holte-gecontroleerd transport, of vacuüm-gemodificeerde supergeleiding kan kwalitatief nieuwe informatie ontrafelen over het samenspel van vacuümvelden en materie, " Prof. Lange zegt. Toekomstige experimenten kunnen niet alleen de aard van vacuümfluctuaties aanpakken, maar bieden bovendien de mogelijkheid om chemische reacties of supergeleidende stromen te sturen, alleen door het vacuümveld op de kortst relevante tijdschalen te schakelen.