Un equipo de investigación internacional de Alemania y Francia ha creado estructuras en las que los campos de luz interactúan con los electrones con tanta fuerza que el vacío cuántico en sí se altera significativamente. Usando ráfagas de luz extremadamente cortas, interrumpieron este acoplamiento mucho más rápido que la escala de tiempo de una fluctuación del vacío y observaron un intrigante timbre del campo electromagnético emitido, indicando el colapso del estado de vacío. Su logro clave podría mejorar nuestra comprensión de la naturaleza de la nada:el vacío del espacio mismo, abriendo un camino hacia la fotónica aprovechando las fluctuaciones del vacío. Los resultados se publican en la edición actual de Fotónica de la naturaleza .

Una de las ideas clave de la mecánica cuántica es que la nada absoluta, un concepto ya discutido por los filósofos griegos, no se encuentra en ninguna parte en la realidad. Muy al contrario, La teoría cuántica de campos ha demostrado que el espacio aparentemente vacío está lleno de fluctuaciones de los campos de luz y materia, lo que lleva a un surgimiento continuo y la desaparición de fotones, así como de partículas masivas. En los días fundadores de la mecánica cuántica, estas consecuencias del principio de incertidumbre de Heisenberg a menudo no se tomaban demasiado en serio. Sin embargo, La física moderna está descubriendo cada vez más cómo nuestro universo está formado por las fluctuaciones de los campos físicos, que no solo conducen a pequeños cambios de líneas espectrales de átomos, pero además puede provocar la evaporación de los agujeros negros, y son, en última instancia, responsables de la estructura a gran escala de nuestro universo, se formó durante el período inflacionario que siguió al Big Bang. Sin embargo, el control de estas fluctuaciones a escala de laboratorio con la precisión temporal relevante ha seguido siendo un gran desafío hasta la fecha.

Investigadores alrededor del Prof.Dr. Christoph Lange, Prof. Dr. Dominique Bougeard, y el Prof.Dr. Rupert Huber (Departamento de Física, University of Regensburg), así como el Prof.Dr. Cristiano Ciuti (Université de Paris) ahora han dado un gran salto hacia el control de las fluctuaciones de vacío fuertemente mejoradas mucho más rápido que las escalas de tiempo típicas de los fotones virtuales. Para tal fin, crearon una estructura semiconductora especializada en la que los electrones están sumamente fuertemente acoplados a los campos de luz de pequeñas antenas diseñadas para el llamado rango espectral de terahercios.

Como resultado, Las fluctuaciones de vacío de los campos de luz y materia participan en la interacción, aumentando considerablemente la presencia de fotones virtuales, incluso en completa oscuridad. "El paso clave hacia adelante fue implementar la funcionalidad para apagar este acoplamiento extremadamente rápido, "La estudiante de doctorado Maike Halbhuber explica.

"Nos complació que los primeros datos mostraran que el apagado funcionaba a la perfección. Pero nos emocionamos cuando los experimentos avanzados mostraron un intrigante, oscilación inesperada del campo de luz durante la conmutación, ", Añade el estudiante de doctorado Joshua Mornhinweg. Al analizar este sonido del vacío cuántico en colapso mediante una teoría de corte personalizado, Los investigadores demostraron que el cambio ocurre en sólo una décima de billonésima de segundo, más de diez veces más rápido que un ciclo de oscilación de un fotón virtual.

Los logros clave de los estados de vacío cuántico personalizados con poblaciones récord de fotones virtuales, y el control de subciclo de débiles fluctuaciones de punto cero ofrecen un nivel de flexibilidad sin precedentes para futuras investigaciones. Como paso siguiente inmediato, El equipo buscará evidencia directa de fotones virtuales que emergen durante el cambio de vacío cuántico diseñado. Todavía, Es muy probable que el alcance de esta idea de investigación se amplíe mucho más.

"Implementar el control de subciclo de campos de vacío para conceptos existentes como la química cuántica de cavidades, transporte controlado por cavidad, o la superconductividad modificada por vacío puede desentrañar información cualitativamente nueva sobre la interacción de los campos de vacío y la materia, ", Dice el profesor Lange. Es posible que los experimentos futuros no solo aborden la naturaleza de las fluctuaciones del vacío, pero además ofrecen la posibilidad de controlar reacciones químicas o corrientes superconductoras, simplemente cambiando el campo de vacío en las escalas de tiempo relevantes más cortas.