En física cuántica, un vacío no está vacío, sino más bien impregnado de pequeñas fluctuaciones del campo electromagnético. Hasta hace poco, era imposible estudiar directamente esas fluctuaciones del vacío. Los investigadores de ETH Zurich han desarrollado un método que les permite caracterizar las fluctuaciones en detalle.

El vacío no es realmente vacío, no de acuerdo con las leyes de la física cuántica, de todos modos. El vacío en el que clásicamente se supone que "nada, "está repleto de las llamadas fluctuaciones del vacío de acuerdo con la mecánica cuántica. Esas son pequeñas excursiones de un campo electromagnético, por ejemplo, ese promedio llega a cero con el tiempo, pero puede desviarse de él por un breve momento. Jérôme Faist, profesor del Instituto de Electrónica Cuántica de ETH en Zúrich, y sus colaboradores han logrado ahora caracterizar directamente esas fluctuaciones del vacío por primera vez.

"Las fluctuaciones de vacío del campo electromagnético tienen consecuencias claramente visibles, y entre otras cosas, son responsables del hecho de que un átomo pueda emitir luz de forma espontánea, "explica Ileana-Cristina Benea-Chelmus, un doctorado recientemente graduado. estudiante en el laboratorio de Faists y primer autor del estudio publicado recientemente en la revista científica Naturaleza . "Para medirlos directamente, sin embargo, parece imposible a primera vista. Los detectores tradicionales de luz, como los fotodiodos, se basan en el principio de que el detector absorbe las partículas de luz y, por tanto, la energía. Sin embargo, desde el vacío, que representa el estado de energía más bajo de un sistema físico, no se puede extraer más energía ".

Detección electroóptica

Por lo tanto, Faist y sus colegas decidieron medir directamente el campo eléctrico de las fluctuaciones. Con ese fin, utilizaron un detector basado en el llamado efecto electroóptico. El detector consta de un cristal en el que la polarización (la dirección de oscilación, es decir) de una onda de luz puede ser girada por un campo eléctrico, por ejemplo, por el campo eléctrico de las fluctuaciones del vacío. De este modo, ese campo eléctrico deja una marca visible en forma de una dirección de polarización modificada de la onda de luz. Dos pulsos de láser muy cortos que duran una fracción de una milésima de mil millonésima de segundo se envían a través del cristal en dos puntos diferentes y en momentos ligeramente diferentes, y despues se miden sus polarizaciones. De esas medidas, finalmente se pueden calcular las correlaciones espaciales y temporales entre los campos eléctricos instantáneos en el cristal.

Para verificar que los campos eléctricos así medidos surgen realmente de las fluctuaciones del vacío y no de la radiación térmica del cuerpo negro, los investigadores enfriaron todo el aparato de medición a -269 grados centígrados. A temperaturas tan bajas, esencialmente no quedan fotones de la radiación térmica dentro del aparato, de modo que cualquier fluctuación del campo eléctrico que quede debe provenir del vacío. "Todavía, la señal medida es absolutamente pequeña, "El profesor de ETH Faist admite, "y realmente tuvimos que maximizar nuestras capacidades experimentales de medir campos muy pequeños". Según Faist, otro desafío es que las frecuencias de las fluctuaciones electromagnéticas medidas con el detector electroóptico se encuentran en el rango de terahercios, es decir, alrededor de unos pocos miles de billones de oscilaciones por segundo. En su experimento, los científicos de ETH aún lograron medir campos cuánticos con una resolución que está por debajo de un ciclo de oscilación de la luz tanto en el tiempo como en el espacio.

Medición de fluctuaciones de vacío exóticas

Los investigadores esperan que en el futuro puedan medir casos aún más exóticos de fluctuaciones del vacío utilizando su método. En presencia de fuertes interacciones entre fotones y materia, que se puede lograr, por ejemplo, dentro de las cavidades ópticas, según cálculos teóricos, el vacío debería estar poblado con una multitud de los llamados fotones virtuales. El método desarrollado por Faist y sus colaboradores debería permitir poner a prueba esas predicciones teóricas.