En la Universidad de Konstanz se ha dado un paso importante hacia un acceso experimental completamente nuevo a la física cuántica. El equipo de científicos encabezado por el profesor Alfred Leitenstorfer ha demostrado ahora cómo manipular el campo de vacío eléctrico y así generar desviaciones del estado fundamental del espacio vacío que solo pueden entenderse en el contexto de la teoría cuántica de la luz.

Con estos resultados, los investigadores del campo de los fenómenos ultrarrápidos y la fotónica se basan en sus hallazgos anteriores, publicado en octubre de 2015 en la revista científica Ciencias , donde han demostrado la detección directa de señales de la nada pura. Este progreso científico esencial podría permitir resolver problemas a los que los físicos se han enfrentado durante mucho tiempo. que van desde una comprensión más profunda de la naturaleza cuántica de la radiación hasta la investigación de propiedades atractivas de los materiales, como la superconductividad a alta temperatura. Los nuevos resultados se publicaron el 19 de enero de 2017 en la edición actual en línea de la revista científica Naturaleza .

Una técnica de medición óptica líder en el mundo, desarrollado por el equipo de Alfred Leitenstorfer, hizo posible esta idea fundamental. Un sistema láser especial genera pulsos de luz ultracortos que duran solo unos pocos femtosegundos y, por lo tanto, son más cortos que medio ciclo de luz en el rango espectral investigado. Un femtosegundo corresponde a la millonésima de una mil millonésima de segundo. La extrema sensibilidad del método permite la detección de fluctuaciones electromagnéticas incluso en ausencia de intensidad, es decir, en completa oscuridad. Teóricamente la existencia de estas "fluctuaciones del vacío" se deriva del principio de incertidumbre de Heisenberg. Alfred Leitenstorfer y su equipo lograron observar directamente estas fluctuaciones por primera vez y en el rango de frecuencia del infrarrojo medio. donde incluso los enfoques convencionales de la física cuántica no han funcionado anteriormente.

La novedad conceptual de los experimentos es que, en lugar de las técnicas de dominio de frecuencia utilizadas hasta ahora, los físicos de Konstanz accedieron a las estadísticas cuánticas de la luz directamente en el dominio del tiempo. En un momento elegido en el tiempo, Las amplitudes del campo eléctrico se miden directamente en lugar de analizar la luz en una banda de frecuencia estrecha. El estudio de diferentes puntos en el tiempo da como resultado patrones de ruido característicos que permiten conclusiones detalladas sobre el estado cuántico temporal de la luz. A medida que el pulso láser se propaga junto con el campo cuántico en estudio, los físicos de Konstanz pueden, por así decirlo, hacer que el tiempo se detenga. Por último, espacio y tiempo, eso es "espacio-tiempo", comportarse de manera absolutamente equivalente en estos experimentos, una indicación de la naturaleza inherentemente relativista de la radiación electromagnética.

Como la nueva técnica de medición no tiene que absorber los fotones a medir ni amplificarlos, es posible detectar directamente el ruido de fondo electromagnético del vacío y, por lo tanto, también las desviaciones controladas de este estado fundamental, creado por los investigadores. "Podemos analizar estados cuánticos sin cambiarlos en la primera aproximación", dice Alfred Leitenstorfer. La alta estabilidad de la tecnología Konstanz es un factor importante para las mediciones cuánticas, ya que el ruido de fondo de sus pulsos láser ultracortos es extremadamente bajo.

Manipulando el vacío con pulsos de femtosegundos fuertemente enfocados, los investigadores idean una nueva estrategia para generar "luz exprimida", un estado altamente no clásico de un campo de radiación. La velocidad de la luz en un cierto segmento del espacio-tiempo se cambia deliberadamente con un pulso intenso del láser de femtosegundos. Esta modulación local de la velocidad de propagación "aprieta" el campo de vacío, lo que equivale a una redistribución de las fluctuaciones del vacío. Alfred Leitenstorfer compara gráficamente este mecanismo de la física cuántica con un atasco en la autopista:a partir de cierto punto, algunos coches van más despacio. Como resultado, la congestión del tráfico se instala detrás de estos coches, mientras que la densidad del tráfico disminuirá frente a ese punto. Eso significa:cuando las amplitudes de fluctuación disminuyen en un lugar, aumentan en otro.

Mientras que las amplitudes de fluctuación se desvían positivamente del ruido de vacío a una velocidad de la luz que aumenta temporalmente, una desaceleración da como resultado un fenómeno asombroso:el nivel de ruido medido es más bajo que en el estado de vacío, es decir, el estado fundamental del espacio vacío.

La simple ilustración con el tráfico en una autopista, sin embargo, alcanza rápidamente sus límites:en contraste con esta imagen de la "física clásica", donde el número de coches permanece constante, las amplitudes del ruido cambian de manera completamente diferente al aumentar la aceleración y la desaceleración del espacio-tiempo. En caso de un "apretón" moderado, el patrón de ruido se distribuye alrededor del nivel de vacío de forma bastante simétrica. Con intensidad creciente, sin embargo, la disminución se satura inevitablemente hacia cero. El exceso de ruido que se acumula unos femtosegundos después, a diferencia de, aumenta de forma no lineal, una consecuencia directa del carácter del principio de incertidumbre como un producto algebraico. Este fenómeno puede equipararse con la generación de un estado altamente no clásico del campo de luz, en el cual, por ejemplo, siempre dos fotones emergen simultáneamente en el mismo volumen de espacio y tiempo.

El experimento realizado en Konstanz plantea numerosas preguntas nuevas y promete estudios emocionantes por venir. Próximo, los físicos apuntan a comprender los límites fundamentales de su método de detección sensible que deja el estado cuántico aparentemente intacto. En principio, todo análisis experimental de un sistema cuántico perturbaría en última instancia su estado. En la actualidad, Todavía es necesario realizar un gran número de mediciones individuales para obtener un resultado:20 millones de repeticiones por segundo. Los físicos aún no pueden decir con certeza si se trata de una de las llamadas "medidas débiles" en términos convencionales de la teoría cuántica.

El nuevo enfoque experimental de la electrodinámica cuántica es solo el tercer método para estudiar el estado cuántico de la luz. Ahora surgen preguntas fundamentales:¿Cuál es exactamente el carácter cuántico de la luz? ¿Qué es realmente un fotón? En cuanto a la última pregunta, Eso está claro para los físicos de Konstanz:en lugar de un paquete cuantificado de energía, es más bien una medida de las estadísticas cuánticas locales de los campos electromagnéticos en el espacio-tiempo.