Vista dettagliata della parte centrale dell'esperimento sull'elettrodinamica quantistica del sottociclo. Il cristallo emettitore di seleniuro di gallio è visibile nella regione luminosa a destra. Qui, un impulso laser ultracorto induce un cambiamento locale nella velocità della luce che porta alla compressione del vuoto quantistico. Gli stati non classici della luce si propagano attraverso i filtri al centro e finiscono nel cristallo di rilevamento del solfuro di gallio d'argento che è evidenziato nella sezione sinistra. Le deviazioni dal rumore del vuoto vengono campionate lì con una risoluzione temporale di femtosecondi. Credito:Università di Costanza
Un passo importante verso un accesso sperimentale completamente nuovo alla fisica quantistica è stato compiuto presso l'Università di Costanza. Il team di scienziati guidato dal professor Alfred Leitenstorfer ha ora mostrato come manipolare il campo elettrico del vuoto e quindi generare deviazioni dallo stato fondamentale dello spazio vuoto che possono essere comprese solo nel contesto della teoria quantistica della luce.
Con questi risultati, i ricercatori nel campo dei fenomeni ultraveloci e della fotonica si basano sulle loro scoperte precedenti, pubblicato nell'ottobre 2015 sulla rivista scientifica Scienza , dove hanno dimostrato il rilevamento diretto di segnali dal puro nulla. Questo essenziale progresso scientifico potrebbe consentire di risolvere problemi con cui i fisici si sono a lungo confrontati, che vanno da una comprensione più profonda della natura quantistica della radiazione alla ricerca su proprietà dei materiali attraenti come la superconduttività ad alta temperatura. I nuovi risultati sono pubblicati il 19 gennaio 2017 nell'attuale numero online della rivista scientifica Natura .
Una tecnica di misurazione ottica leader a livello mondiale, sviluppato dal team di Alfred Leitenstorfer, reso possibile questa fondamentale intuizione. Uno speciale sistema laser genera impulsi di luce ultracorti che durano solo pochi femtosecondi e sono quindi più brevi di mezzo ciclo di luce nell'intervallo spettrale studiato. Un femtosecondo corrisponde al milionesimo di miliardesimo di secondo. L'estrema sensibilità del metodo permette di rilevare le fluttuazioni elettromagnetiche anche in assenza di intensità, questo è, nella completa oscurità. Teoricamente, l'esistenza di queste "fluttuazioni del vuoto" deriva dal Principio di Indeterminazione di Heisenberg. Alfred Leitenstorfer e il suo team sono riusciti a osservare direttamente queste fluttuazioni per la prima volta e nella gamma di frequenze del medio infrarosso, dove anche gli approcci convenzionali alla fisica quantistica non hanno funzionato in precedenza.
La novità concettuale degli esperimenti è che invece delle tecniche nel dominio della frequenza utilizzate finora, i fisici di Costanza hanno avuto accesso alle statistiche quantistiche della luce direttamente nel dominio del tempo. In un momento prescelto, le ampiezze del campo elettrico vengono misurate direttamente invece di analizzare la luce in una banda di frequenza ristretta. Lo studio di diversi momenti nel tempo produce modelli di rumore caratteristici che consentono di trarre conclusioni dettagliate sullo stato quantistico temporale della luce. Poiché l'impulso laser si propaga insieme al campo quantistico in esame, i fisici di Costanza possono, per così dire, ferma il tempo. In definitiva, spazio e tempo, cioè "spazio-tempo", comportarsi in modo assolutamente equivalente in questi esperimenti - un'indicazione della natura intrinsecamente relativistica della radiazione elettromagnetica.
Poiché la nuova tecnica di misurazione non deve né assorbire i fotoni da misurare né amplificarli, è possibile rilevare direttamente il rumore di fondo elettromagnetico del vuoto e quindi anche le deviazioni controllate da questo stato fondamentale, creato dai ricercatori. "Possiamo analizzare gli stati quantistici senza modificarli in prima approssimazione", dice Alfred Leitenstorfer. L'elevata stabilità della tecnologia di Costanza è un fattore importante per le misurazioni quantistiche, poiché il rumore di fondo dei loro impulsi laser ultracorti è estremamente basso.
Schema schematico delle deviazioni spazio-temporali dal livello delle nude fluttuazioni del vuoto del campo elettrico che sono generate dalla deformazione dello spazio-tempo e campionate nel dominio del tempo. L'ipersuperficie codificata a colori combina una traccia temporale longitudinale (linea rossa) con la funzione modalità trasversale. Credito:Università di Costanza
Manipolando il vuoto con impulsi di femtosecondi fortemente focalizzati, i ricercatori escogitano una nuova strategia per generare "luce schiacciata", uno stato altamente non classico di un campo di radiazione. La velocità della luce in un certo segmento dello spazio-tempo viene deliberatamente modificata con un intenso impulso del laser a femtosecondi. Questa modulazione locale della velocità di propagazione "schiaccia" il campo del vuoto, che equivale a una ridistribuzione delle fluttuazioni del vuoto. Alfred Leitenstorfer confronta graficamente questo meccanismo della fisica quantistica con un ingorgo in autostrada:da un certo punto in poi, alcune macchine vanno più lente. Di conseguenza, la congestione del traffico si insinua dietro queste auto, mentre la densità del traffico diminuirà davanti a quel punto. Ciò significa:quando le ampiezze di fluttuazione diminuiscono in un punto, aumentano in un altro.
Mentre le ampiezze di fluttuazione deviano positivamente dal rumore del vuoto a velocità della luce temporaneamente crescenti, un rallentamento si traduce in un fenomeno sorprendente:il livello di rumore misurato è inferiore rispetto allo stato di vuoto - cioè, lo stato fondamentale dello spazio vuoto.
La semplice illustrazione con il traffico in autostrada, però, raggiunge rapidamente i suoi limiti:in contrasto con questo quadro di "fisica classica", dove il numero di auto rimane costante, le ampiezze del rumore cambiano in modo completamente diverso con l'aumento dell'accelerazione e della decelerazione dello spazio-tempo. In caso di moderata "spremitura", il modello di rumore è distribuito in modo abbastanza simmetrico attorno al livello di vuoto. Con intensità crescente, però, la diminuzione inevitabilmente satura verso lo zero. Il rumore in eccesso che si accumula pochi femtosecondi dopo, in contrasto, aumenta in modo non lineare - una conseguenza diretta del carattere del principio di indeterminazione come prodotto algebrico. Questo fenomeno può essere equiparato alla generazione di uno stato altamente non classico del campo luminoso, in quale, Per esempio, sempre due fotoni emergono contemporaneamente nello stesso volume di spazio e tempo.
L'esperimento condotto a Costanza solleva numerose nuove domande e promette studi entusiasmanti a venire. Prossimo, i fisici mirano a comprendere i limiti fondamentali del loro metodo di rilevamento sensibile che lascia lo stato quantistico apparentemente intatto. In linea di principio, ogni analisi sperimentale di un sistema quantistico alla fine ne perturberebbe lo stato. Attualmente, ancora un numero elevato di misurazioni individuali deve essere eseguito per ottenere un risultato:20 milioni di ripetizioni al secondo. I fisici non possono ancora affermare con certezza se si tratti di una cosiddetta "misurazione debole" in termini convenzionali della teoria quantistica.
Il nuovo approccio sperimentale all'elettrodinamica quantistica è solo il terzo metodo per studiare lo stato quantistico della luce. Ora sorgono domande fondamentali:qual è esattamente il carattere quantistico della luce? Che cos'è in realtà un fotone? Riguardo all'ultima domanda, questo è chiaro ai fisici di Costanza:invece di un pacchetto quantizzato di energia è piuttosto una misura per la statistica quantistica locale dei campi elettromagnetici nello spazio-tempo.
