Ett internationellt forskarlag från Tyskland och Frankrike har skapat strukturer där ljusfält interagerar med elektroner så starkt att själva kvantvakuumet förändras avsevärt. Med extremt korta ljusstrålar, de avbröt denna koppling mycket snabbare än tidsskalan för en vakuumfluktuation och observerade en spännande ringning av det utsända elektromagnetiska fältet, indikerar kollapsen av vakuumtillståndet. Deras viktigaste prestation kan förbättra vår förståelse av ingentingets natur - vakuumet i själva rymden, banar en väg mot fotonik som utnyttjar vakuumfluktuationer. Resultaten publiceras i det aktuella numret av Nature Photonics .

En av de viktigaste insikterna i kvantmekaniken är den absoluta ingenting, ett koncept som redan diskuterats av grekiska filosofer, finns ingenstans i verkligheten. Tvärtom, kvantfältteorin har visat att ett till synes tomt utrymme fylls av fluktuationer av ljus- och materiafält, vilket leder till en kontinuerlig poppning i existens och försvinnande av fotoner samt massiva partiklar. Under kvantmekanikens grunddagar, dessa konsekvenser av Heisenbergs osäkerhetsprincip togs ofta inte på alltför stort allvar. Dock, modern fysik upptäcker alltmer hur vårt universum formas av fluktuationer i fysiska fält, som inte bara leder till små skiftningar av spektrallinjer av atomer, men dessutom kan orsaka avdunstning av svarta hål, och är ytterst ansvariga för vårt universums storskaliga struktur, bildades under inflationstiden efter big bang. Ändå har det varit extremt utmanande att kontrollera dessa fluktuationer i laboratorieskala med den relevanta tidsprecisionen hittills.

Forskare kring Prof. Dr. Christoph Lange, Prof. Dr. Dominique Bougeard, och Prof. Dr. Rupert Huber (Institutionen för fysik, University of Regensburg) liksom professor Dr. Cristiano Ciuti (Université de Paris) har nu gjort ett stort steg mot att styra starkt förbättrade vakuumfluktuationer mycket snabbare än typiska tidsskalor för virtuella fotoner. För detta ändamål, de skapade en specialiserad halvledarstruktur där elektroner är extremt starkt kopplade till ljusfälten hos små antenner designade för det så kallade terahertz-spektralområdet.

Som ett resultat, vakuumfluktuationer av ljus- och materiefält deltar i interaktionen, kraftigt öka närvaron av virtuella fotoner - även i fullständigt mörker. "Nyckelsteget framåt var då att implementera funktionalitet för att stänga av denna koppling extremt snabbt, "Doktorand Maike Halbhuber förklarar.

"Vi var nöjda eftersom de första uppgifterna visade att avstängningen fungerade perfekt. Men vi var glada när avancerade experiment visade en spännande, oväntad oscillation av ljusfältet under omkoppling, "Lägger doktoranden Joshua Mornhinweg till. Analyserar denna ringning av det kollapsande kvantvakuumet genom en skräddarsydd teori, forskarna visade att växlingen sker inom bara en tiondel av en biljonedel av en sekund - mer än tio gånger snabbare än en oscillationscykel för en virtuell foton.

De viktigaste resultaten av anpassade kvantvakuumtillstånd med rekordpopulationer av virtuella fotoner, och subcykelkontroll av svaga nollpunktsfluktuationer erbjuder en oöverträffad flexibilitet för framtida undersökningar. Som ett omedelbart nästa steg, teamet kommer att söka efter direkta bevis på virtuella fotoner som dyker upp under byte av designat kvantvakua. Än, omfattningen av denna forskningsidé kommer sannolikt att expandera mycket ytterligare.

"Implementering av subcykelkontroll av vakuumfält för befintliga koncept som kavitetskvantkemi, kavitetskontrollerad transport, eller vakuummodifierad supraledning kan ta upp kvalitativt ny information om samspelet mellan vakuumfält och materia, "Säger professor Lange. Framtida experiment kanske inte bara behandlar vakuumfluktuationer, men ger dessutom möjlighet att kontrollera kemiska reaktioner eller supraledande strömmar, bara genom att växla vakuumfältet på de kortaste relevanta tidsskalorna.