Immagine 1:schizzo schematico del processo che produce gli stati "spremuti". Un campo di pompa ultracorto viene inviato in un cristallo non lineare, "spremendo" il vuoto. Diverse aree del campo vengono ridistribuite (accelerate o decelerate) all'interno del cristallo (vedere le linee grigie sul piano orizzontale). Per di più, l'intensità del campo E0 (ampiezza delle fluttuazioni del vuoto) viene aumentata o diminuita (asse z). Credito:Kizmann et al.
Alcune delle più grandi domande senza risposta sulla natura dell'universo sono legate alla luce, il vuoto (cioè lo spazio dove non esistono né materia né radiazione), e il loro rapporto con il tempo. Nel passato, fisici e filosofi hanno affrontato una serie di questioni complesse, ad esempio, qual è la natura del vuoto, e in che modo la propagazione della luce è collegata allo scorrere del tempo?
I ricercatori dell'Università di Costanza hanno recentemente condotto uno studio che esplora gli stati quantistici delle fluttuazioni della luce e del vuoto, così come la loro interazione con il tempo. La loro carta, pubblicato in Fisica della natura , introduce un nuovo quadro teorico per descrivere gli stati quantistici sia della luce che del vuoto su scale temporali ultra brevi.
Lo studio dei ricercatori si concentra sulla "luce spremuta, " che è essenzialmente composto da impulsi luminosi con fluttuazioni elettromagnetiche ridistribuite o "schiacciate". Kizmann ei suoi colleghi sono stati in grado di svelare l'esistenza di una dipendenza diretta tra i campi elettromagnetici della luce o del vuoto e il tempo.
"Intorno al 2015, i nostri colleghi professor Alfred Leitenstorfer e il suo gruppo, anche dall'Università di Costanza, furono i primi a dimostrare sperimentalmente che le fluttuazioni del vuoto della luce possono essere misurate direttamente, " Matthias Kizmann uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Da allora, siamo stati interessati a sviluppare una nuova teoria per descrivere le fluttuazioni del vuoto che si verificano su durate molto brevi. Questo ci ha portato a chiederci se le fluttuazioni del vuoto potessero essere manipolate anche su durate molto brevi per generare la cosiddetta luce schiacciata".
Nella loro carta, i ricercatori descrivono l'interazione tra un campo forte chiamato campo "pompa", e il vuoto elettromagnetico all'interno di un cristallo non lineare. Per effetto di questa interazione, il campo ridistribuisce le fluttuazioni del vuoto nel tempo, determinando intervalli di tempo in cui queste fluttuazioni vengono potenziate o represse. Questo processo è noto come spremitura.
"Generalmente, si deve calcolare l'intero campo elettrico per descrivere gli effetti risultanti, ma ora abbiamo scoperto come descrivere la spremitura come un cambiamento nel flusso del tempo, " Kizmann ha spiegato. "Gli stati spremuti appartengono a una classe più ampia di cosiddetti stati di luce non classici. Questi tipi di stati presentano varie caratteristiche affascinanti e nuove rispetto alla luce laser più classica. Come tale, gli stati di luce non classici giocano un ruolo importante nello sviluppo delle future tecnologie nel campo dell'informazione quantistica o della spettroscopia quantistica".
Kizmann e i suoi colleghi hanno raccolto interessanti osservazioni che descrivono come la luce e il vuoto siano collegati al tempo. Hanno sviluppato un modello fisico che può essere utilizzato per descrivere gli stati quantistici del campo elettromagnetico sia per la luce che per il vuoto su scale temporali ultrabrevi. Il loro articolo delinea anche come il campo elettromagnetico nel vuoto, note come fluttuazioni del vuoto, può essere manipolato.
Essenzialmente, la luce è fatta di onde, o campi elettrici e magnetici oscillanti. Nel 19 ° secolo, la gente credeva che nel buio, questi campi sono uguali a zero. Teoria dei quanti, però, afferma che uno spazio vuoto buio in realtà non è del tutto vuoto, in quanto contiene piccole fluttuazioni che inducono lievi movimenti nei campi, note come fluttuazioni del vuoto. È noto che queste fluttuazioni vengono ridistribuite da una variabile all'altra (ad es. dai campi elettrici a quelli magnetici), che è la compressione del vuoto.
"Abbiamo studiato come le fluttuazioni del vuoto possono essere manipolate nel tempo e abbiamo scoperto che possiamo anche ridistribuire le fluttuazioni da un momento all'altro, "Guido Burkard, ricercatore capo dello studio, ha detto a Phys.org. "Si scopre che il flusso del tempo visto dall'impulso luminoso può essere modificato in un materiale ottico non lineare, e questo cambiamento nel flusso del tempo è direttamente correlato al cambiamento nelle fluttuazioni."
Le osservazioni raccolte da Kizmann, Burkard e i loro colleghi hanno alcune somiglianze con la relatività del tempo nella teoria della relatività. Nella loro carta, tracciano un'analogia tra la meccanica quantistica e la teoria della relatività, due aree della fisica che gli studi passati hanno spesso faticato a conciliare. Le loro osservazioni e l'analogia che hanno presentato potrebbero in definitiva migliorare la nostra attuale comprensione della relazione tra fisica quantistica e relatività. I ricercatori ritengono inoltre che gli impulsi ultracorti di luce quantistica compressa potrebbero presto essere dimostrati e osservati in laboratorio.
"Pensiamo che gli stati di luce quantistica di durata minima fino a un femtosecondo (10 -15 secondi) sarà presto realizzato e caratterizzato sperimentalmente, "Andrey Moskalenko, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "Poi possono essere usati come un nuovo strumento quantistico nella spettroscopia ultraveloce, processi di indagine in materia su durate così brevi. Ciò darebbe accesso a una pletora attualmente nascosta ma molto importante di fenomeni ultraveloci, che determinano le proprietà chiave di nuovi dispositivi quantistici".
Lo studio offre nuove affascinanti intuizioni sugli stati quantistici della luce e del vuoto, e il loro rapporto con il tempo. La teoria che hanno sviluppato potrebbe infine facilitare l'uso di stati quantistici della luce dipendenti dal tempo nell'ottica quantistica e nelle applicazioni di informazione quantistica. Nel loro lavoro futuro, i ricercatori intendono esplorare ulteriormente questo argomento, indagando la relazione tra i leggeri movimenti che si verificano nel vuoto e un fenomeno chiamato entanglement quantistico.
"Siamo curiosi di sapere come queste ridistribuzioni delle fluttuazioni quantistiche siano correlate all'entanglement quantistico, il fenomeno che alimenta i computer quantistici e rappresenta una risorsa per la comunicazione quantistica sicura., " Burkard ha detto. "Vorremmo anche sapere come misurare (cioè 'guardare') i campi di vuoto influenza queste fluttuazioni, e come gli stati compressi possono essere utilizzati per la spettroscopia ultraveloce."
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