Inom kvantfysik, ett vakuum är inte tomt, utan snarare genomsyrad av små fluktuationer i det elektromagnetiska fältet. Tills nyligen var det omöjligt att studera dessa vakuumfluktuationer direkt. Forskare vid ETH Zürich har utvecklat en metod som gör att de kan karakterisera fluktuationerna i detalj.

Tomheten är inte riktigt tom – inte enligt kvantfysikens lagar, i alla fall. Vakuumet, där det klassiskt ska finnas "ingenting, " vimlar av så kallade vakuumfluktuationer enligt kvantmekaniken. Det är små avvikelser av ett elektromagnetiskt fält, till exempel, som genomsnitt ut till noll över tiden men kan avvika från det för en kort stund. Jérôme Faist, professor vid Institutet för kvantelektronik vid ETH i Zürich, och hans medarbetare har nu för första gången lyckats karakterisera dessa vakuumfluktuationer direkt.

"Vakuumfluktuationerna i det elektromagnetiska fältet har tydligt synliga konsekvenser, och bl.a. är ansvariga för att en atom spontant kan avge ljus, " förklarar Ileana-Cristina Benea-Chelmus, en nyutexaminerad Ph.D. student i Faists laboratorium och första författare till studien som nyligen publicerades i den vetenskapliga tidskriften Natur . "För att mäta dem direkt, dock, verkar omöjligt vid första anblicken. Traditionella detektorer för ljus som fotodioder bygger på principen att ljuspartiklar – och därmed energi – absorberas av detektorn. Dock, från vakuumet, som representerar det lägsta energitillståndet i ett fysiskt system, ingen ytterligare energi kan utvinnas."

Elektrooptisk detektering

Faist och hans kollegor bestämde sig därför för att mäta det elektriska fältet för fluktuationerna direkt. För detta ändamål, de använde en detektor baserad på den så kallade elektrooptiska effekten. Detektorn består av en kristall i vilken polarisationen (svängningsriktningen, det vill säga) av en ljusvåg kan roteras av ett elektriskt fält – till exempel, av vakuumfluktuationernas elektriska fält. På det här sättet, det elektriska fältet lämnar ett synligt märke i form av en modifierad polarisationsriktning för ljusvågen. Två mycket korta laserpulser som varar i en bråkdel av en tusendels miljarddels sekund skickas genom kristallen vid två olika punkter och vid något olika tidpunkter, och efteråt, deras polarisationer mäts. Från dessa mätningar, de rumsliga och tidsmässiga korrelationerna mellan de momentana elektriska fälten i kristallen kan slutligen beräknas.

För att verifiera att de sålunda uppmätta elektriska fälten faktiskt härrör från vakuumfluktuationerna och inte från den termiska svarta kroppsstrålningen, forskarna kylde ner hela mätapparaten till -269 grader Celsius. Vid så låga temperaturer, i princip inga fotoner av värmestrålningen finns kvar inuti apparaten, så att alla fluktuationer i det elektriska fältet som blir över måste komma från vakuumet. "Fortfarande, den uppmätta signalen är absolut liten, " ETH-professor Faist medger, "och vi var verkligen tvungna att maximera vår experimentella förmåga att mäta mycket små fält." Enligt Faist, en annan utmaning är att frekvenserna för de elektromagnetiska fluktuationerna som mäts med den elektrooptiska detektorn ligger i terahertzområdet, det är, runt några tusen miljarder svängningar per sekund. I deras experiment, forskarna vid ETH lyckades fortfarande mäta kvantfält med en upplösning som ligger under en oscillationscykel av ljus i både tid och rum.

Mätning av exotiska vakuumfluktuationer

Forskarna hoppas att de i framtiden ska kunna mäta ännu fler exotiska fall av vakuumfluktuationer med deras metod. I närvaro av starka interaktioner mellan fotoner och materia, som kan uppnås, till exempel, inuti optiska hålrum, enligt teoretiska beräkningar bör vakuumet befolkas med en mängd så kallade virtuella fotoner. Metoden som utvecklats av Faist och hans medarbetare borde göra det möjligt att testa dessa teoretiska förutsägelser.