Några av de största obesvarade frågorna om universums natur är relaterade till ljus, vakuumet (dvs. utrymme där varken materia eller strålning existerar), och deras förhållande till tiden. Förr, fysiker och filosofer har tagit upp en mängd komplexa frågor, till exempel, vad är vakuumets natur, och hur är ljusets spridning kopplad till tiden som går?

Forskare vid universitetet i Konstanz har nyligen genomfört en studie som undersöker kvanttillstånden för ljus och vakuumfluktuationer, liksom deras samspel med tiden. Deras papper, publicerad i Naturfysik , introducerar en ny teoretisk ram för att beskriva kvanttillstånden för både ljus och vakuum på ultrakorte tidsskalor.

Forskarnas studie fokuserar på "pressat ljus, "som i huvudsak består av ljusimpulser med omfördelade eller" pressade "elektromagnetiska fluktuationer. Kizmann och hans kollegor kunde avslöja förekomsten av ett direkt beroende mellan de elektromagnetiska fälten ljus eller vakuum och tid.

"Runt 2015, våra kollegor professor Alfred Leitenstorfer och hans grupp, även från universitetet i Konstanz, var de första som experimentellt visade att vakuumfluktuationer av ljus kan mätas direkt, "Matthias Kizmann en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Sedan dess, vi har varit intresserade av att utveckla en ny teori för att beskriva vakuumfluktuationer som äger rum under mycket korta varaktigheter. Detta ledde oss till frågan om vakuumfluktuationer också kan manipuleras på mycket korta varaktigheter för att generera så kallat pressat ljus. "

I deras papper, forskarna beskriver samspelet mellan ett starkt fält som kallas ett "pumpfält", och det elektromagnetiska vakuumet inuti en olinjär kristall. Som ett resultat av denna interaktion, fältet omfördelar vakuumfluktuationerna i tid, vilket resulterar i tidsintervall där dessa fluktuationer antingen förstärks eller undertrycks. Denna process är känd som klämning.

"Vanligtvis, man måste beräkna hela det elektriska fältet för att beskriva de resulterande effekterna, men nu fann vi hur vi skulle beskriva klämningen som en förändring i tidens flöde, "Kizmann förklarade." Klämda tillstånd tillhör en bredare klass av så kallade icke-klassiska ljustillstånd. Dessa typer av stater uppvisar olika fascinerande och nya egenskaper i motsats till mer klassiskt laserljus. Som sådan, icke -klassiska ljustillstånd spelar en viktig roll i utvecklingen av framtida teknik inom området kvantinformation eller kvantspektroskopi. "

Kizmann och hans kollegor har samlat intressanta observationer som beskriver hur ljus och vakuum är relaterade till tid. De utvecklade en fysisk modell som kan användas för att beskriva kvanttillstånd i det elektromagnetiska fältet för både ljus och vakuum på ultrakorte tidsskalor. Deras papper beskriver också hur det elektromagnetiska fältet i ett vakuum, kallas vakuumfluktuationer, kan manipuleras.

Väsentligen, ljus består av vågor, eller oscillerande elektriska och magnetiska fält. På 1800-talet, människor trodde att i mörkret, dessa fält är lika med noll. Kvantteorin, dock, säger att ett mörkt tomt utrymme faktiskt inte är helt tomt, eftersom den innehåller små fluktuationer som leder till små rörelser i fälten, kallas vakuumfluktuationer. Dessa fluktuationer är kända för att omfördelas från en variabel till en annan (t.ex. från elektriska till magnetiska fält), vilket är klämningen i vakuumet.

"Vi har studerat hur vakuumfluktuationerna kan manipuleras i tid och fann att vi också kan omfördela fluktuationer från ett ögonblick till ett annat, "Guido Burkard, ledande forskare för studien, berättade för Phys.org. "Det visar sig att tidsflödet sett från ljuspulsen kan modifieras i ett olinjärt optiskt material, och denna förändring i tidsflödet är direkt relaterad till förändringen i fluktuationer. "

Observationerna samlade av Kizmann, Burkard och deras kollegor har vissa likheter med tidens relativitet i relativitetsteorin. I deras papper, de drar en analogi mellan kvantmekanik och relativitetsteorin, två områden inom fysik som tidigare studier ofta har kämpat med att förena. Deras observationer och analogin de presenterade kan i slutändan förbättra vår nuvarande förståelse av sambandet mellan kvantfysik och relativitet. Forskarna tror också att ultrakortpulser av pressat kvantljus snart kan demonstreras och observeras i laboratoriet.

"Vi tror att tillstånd av kvantljus med minutvaraktighet ner till en femtosekund (10 ^-15 sekunder) kommer snart att förverkligas och karakteriseras experimentellt, "Andrey Moskalenko, en annan forskare som är involverad i studien, berättade för Phys.org. "Då kan de användas som ett nytt kvantverktyg inom ultrasnabb spektroskopi, sonderingsprocesser i materia på så kort tid. Detta skulle ge tillgång till en för närvarande dold men mycket viktig uppsjö av ultrasnabba fenomen, som bestämmer nyckelegenskaper för nya kvantanordningar. "

Studien erbjuder fascinerande nya insikter om kvanttillstånden för ljus och vakuum, och deras förhållande till tiden. Teorin som de utvecklat kan i slutändan underlätta användningen av tidsberoende kvanttillstånd för ljus i kvantoptik och kvantinformationsapplikationer. I deras framtida arbete, forskarna planerar att utforska detta ämne ytterligare, undersöka sambandet mellan de små rörelser som uppstår i ett vakuum och ett fenomen som kallas kvantinvikling.

"Vi är nyfikna på hur dessa omfördelningar av kvantfluktuationer är relaterade till kvantinvikling, fenomenet som driver kvantdatorer och representerar en resurs för säker kvantkommunikation., "Sa Burkard." Vi skulle också vilja veta hur mätning (dvs "tittar på") vakuumfälten påverkar dessa fluktuationer, och hur pressade tillstånd kan användas för ultrasnabb spektroskopi. "

© 2019 Science X Network