Ett viktigt steg mot en helt ny experimentell tillgång till kvantfysik har gjorts vid Konstanz universitet. Teamet av forskare som leds av professor Alfred Leitenstorfer har nu visat hur man kan manipulera det elektriska vakuumfältet och på så sätt generera avvikelser från tomt grundtillstånd som bara kan förstås i samband med kvantteorin om ljus.

Med dessa resultat, forskarna inom området för snabba fenomen och fotonik bygger på sina tidigare fynd, publicerad i oktober 2015 i den vetenskapliga tidskriften Vetenskap , där de har visat direkt detektering av signaler från ren ingenting. Dessa viktiga vetenskapliga framsteg kan göra det möjligt att lösa problem som fysiker har kämpat med länge, allt från en djupare förståelse av strålningens kvantitet till forskning om attraktiva materialegenskaper som högtemperatur supraledning. De nya resultaten publiceras den 19 januari 2017 i det aktuella online -numret av den vetenskapliga tidskriften Natur .

En världsledande optisk mätteknik, utvecklat av Alfred Leitenstorfers team, gjort denna grundläggande insikt möjlig. Ett speciellt lasersystem genererar ultrakorta ljuspulser som endast varar några femtosekunder och därmed är kortare än en halv cykel av ljus i det undersökta spektralområdet. En femtosekund motsvarar en miljonedel av en miljarddel av en sekund. Metodens extrema känslighet möjliggör detektion av elektromagnetiska fluktuationer även i avsaknad av intensitet, det är, i fullständigt mörker. Teoretiskt sett förekomsten av dessa "vakuumfluktuationer" följer av Heisenbergs osäkerhetsprincip. Alfred Leitenstorfer och hans team lyckades direkt observera dessa fluktuationer för första gången och i det mellersta infraröda frekvensområdet, där även konventionella metoder för kvantfysik inte har fungerat tidigare.

Experimentets konceptuella nyhet är att istället för de frekvensdomäntekniker som hittills använts, fysikerna från Konstanz fick tillgång till kvantstatistik över ljus direkt i tidsområdet. Vid en vald tidpunkt, elektriska fältamplituder mäts direkt istället för att analysera ljus i ett smalt frekvensband. Att studera olika tidpunkter resulterar i karakteristiska brusmönster som möjliggör detaljerade slutsatser om ljusets temporala kvanttillstånd. När laserpulsen förökar sig tillsammans med det kvantfält som studeras, Konstanz -fysikerna kan, så att säga, få tiden att stanna. I sista hand, rum och tid, det är "rymdtid", bete sig absolut ekvivalent i dessa experiment - en indikation på den i sig relativistiska naturen hos elektromagnetisk strålning.

Eftersom den nya mättekniken varken behöver absorbera fotonerna som ska mätas eller förstärka dem, det är möjligt att direkt detektera vakuumets elektromagnetiska bakgrundsljud och därmed också de kontrollerade avvikelserna från detta jordtillstånd, skapat av forskarna. "Vi kan analysera kvanttillstånd utan att ändra dem i den första approximationen", säger Alfred Leitenstorfer. Konstanz -teknologins höga stabilitet är en viktig faktor för kvantmätningarna, eftersom bakgrundsbruset från deras ultrakorte laserpulser är extremt lågt.

Genom att manipulera vakuumet med starkt fokuserade femtosekundpulser, forskarna kommer med en ny strategi för att generera "pressat ljus", ett mycket oklassiskt tillstånd för ett strålningsfält. Ljusets hastighet i ett visst segment av rymdtid ändras medvetet med en intensiv puls av femtosekundlasern. Denna lokala modulering av förökningshastigheten "klämmer" vakuumfältet, vilket motsvarar en omfördelning av vakuumfluktuationer. Alfred Leitenstorfer jämför denna mekanism för kvantfysik grafiskt med en trafikstockning på motorvägen:från en viss punkt, vissa bilar går långsammare. Som ett resultat, trafikstockningar sätter sig bakom dessa bilar, medan trafiktätheten minskar framför den punkten. Det betyder:när fluktuationsamplituden minskar på ett ställe, de ökar i en annan.

Medan fluktuationsamplituderna avviker positivt från vakuumbruset vid temporärt ökande ljushastighet, en avmattning resulterar i ett häpnadsväckande fenomen:nivån på uppmätt brus är lägre än i vakuumtillståndet - det vill säga tomt grundtillstånd.

Den enkla illustrationen med trafiken på en motorväg, dock, når snabbt sina gränser:i motsats till denna "klassiska fysik" -bild, där antalet bilar förblir konstant, brusamplituderna förändras helt annorlunda med ökande acceleration och retardation av rymdtid. Vid måttlig "klämning", bullermönstret fördelas runt vakuumnivån ganska symmetriskt. Med ökande intensitet, dock, minskningen mättar oundvikligen mot noll. Det överskott av buller som ackumuleras några femtosekunder senare, i kontrast, ökar icke -linjärt - en direkt följd av osäkerhetsprincipens karaktär som en algebraisk produkt. Detta fenomen kan likställas med generering av ett mycket oklassiskt tillstånd av ljusfältet, i vilken, till exempel, alltid dyker två fotoner upp samtidigt i samma volym av rum och tid.

Experimentet som genomfördes i Konstanz väcker många nya frågor och lovar spännande studier som kommer. Nästa, fysikerna syftar till att förstå de grundläggande gränserna för deras känsliga detektionsmetod som lämnar kvanttillståndet till synes intakt. I princip, varje experimentell analys av ett kvantsystem skulle slutligen störa dess tillstånd. För närvarande, fortfarande måste ett stort antal individuella mätningar utföras för att få ett resultat:20 miljoner repetitioner per sekund. Fysikerna kan ännu inte med säkerhet säga om det är en så kallad "svag mätning" i konventionella termer av kvantteori.

Det nya experimentella tillvägagångssättet för kvantelektrodynamik är bara den tredje metoden för att studera ljusets kvanttillstånd. Nu uppstår grundläggande frågor:Vad exakt är ljusets kvantkaraktär? Vad är egentligen en foton? Angående den sista frågan, så mycket är klart för Konstanz-fysikerna:istället för ett kvantiserat energipaket är det snarare ett mått för den lokala kvantstatistiken för elektromagnetiska fält i rymdtid.