Nella fisica quantistica, un vuoto non è vuoto, ma piuttosto intriso di minuscole fluttuazioni del campo elettromagnetico. Fino a poco tempo fa era impossibile studiare direttamente quelle fluttuazioni del vuoto. I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato un metodo che consente loro di caratterizzare in dettaglio le fluttuazioni.

Il vuoto non è realmente vuoto, non secondo le leggi della fisica quantistica, ad ogni modo. Il vuoto, in cui classicamente si suppone che non ci sia "nulla, " brulica delle cosiddette fluttuazioni del vuoto secondo la meccanica quantistica. Queste sono piccole escursioni di un campo elettromagnetico, ad esempio, quella media si azzera nel tempo, ma può deviare da essa per un breve momento. Jérôme Faist, professore all'Institute for Quantum Electronics all'ETH di Zurigo, ei suoi collaboratori sono ora riusciti per la prima volta a caratterizzare direttamente quelle fluttuazioni del vuoto.

"Le fluttuazioni del vuoto del campo elettromagnetico hanno conseguenze chiaramente visibili, e tra l'altro, sono responsabili del fatto che un atomo può emettere luce spontaneamente, " spiega Ileana-Cristina Benea-Chelmus, un dottorato di ricerca appena laureato. studente del laboratorio Faists e primo autore dello studio recentemente pubblicato sulla rivista scientifica Natura . "Per misurarli direttamente, però, sembra impossibile a prima vista. I tradizionali rivelatori di luce come i fotodiodi si basano sul principio che le particelle di luce, e quindi l'energia, vengono assorbite dal rivelatore. Però, dal vuoto, che rappresenta lo stato energetico più basso di un sistema fisico, non si può estrarre altra energia."

Rilevamento elettro-ottico

Faist ei suoi colleghi hanno quindi deciso di misurare direttamente il campo elettrico delle fluttuazioni. A quello scopo, hanno usato un rivelatore basato sul cosiddetto effetto elettro-ottico. Il rivelatore è costituito da un cristallo in cui la polarizzazione (la direzione di oscillazione, cioè) di un'onda luminosa può essere ruotata da un campo elettrico - per esempio, dal campo elettrico delle fluttuazioni del vuoto. In questo modo, quel campo elettrico lascia un segno visibile sotto forma di una direzione di polarizzazione modificata dell'onda luminosa. Due brevissimi impulsi laser della durata di una frazione di millesimo di miliardesimo di secondo vengono inviati attraverso il cristallo in due punti diversi e in tempi leggermente diversi, e dopo, si misurano le loro polarizzazioni. Da quelle misurazioni, si possono infine calcolare le correlazioni spaziali e temporali tra i campi elettrici istantanei nel cristallo.

Per verificare che i campi elettrici così misurati derivino effettivamente dalle fluttuazioni del vuoto e non dalla radiazione termica del corpo nero, i ricercatori hanno raffreddato l'intero apparato di misurazione fino a -269 gradi centigradi. A temperature così basse, sostanzialmente non rimangono fotoni della radiazione termica all'interno dell'apparato, cosicché qualsiasi fluttuazione del campo elettrico residua deve provenire dal vuoto. "Ancora, il segnale misurato è assolutamente minuscolo, "Il professore dell'ETH Faist ammette, "e abbiamo davvero dovuto massimizzare le nostre capacità sperimentali di misurare campi molto piccoli". Secondo Faist, un'altra sfida è che le frequenze delle fluttuazioni elettromagnetiche misurate utilizzando il rilevatore elettro-ottico si trovano nell'intervallo dei terahertz, questo è, circa qualche migliaio di miliardi di oscillazioni al secondo. Nel loro esperimento, gli scienziati dell'ETH sono comunque riusciti a misurare i campi quantistici con una risoluzione inferiore a un ciclo di oscillazione della luce sia nel tempo che nello spazio.

Misurazione delle fluttuazioni del vuoto esotiche

I ricercatori sperano che in futuro saranno in grado di misurare casi ancora più esotici di fluttuazioni del vuoto usando il loro metodo. In presenza di forti interazioni tra fotoni e materia, che può essere raggiunto, ad esempio, all'interno di cavità ottiche, secondo calcoli teorici il vuoto dovrebbe essere popolato da una moltitudine di cosiddetti fotoni virtuali. Il metodo sviluppato da Faist e dai suoi collaboratori dovrebbe consentire di verificare quelle previsioni teoriche.