Un team di ricerca internazionale proveniente da Germania e Francia ha creato strutture in cui i campi luminosi interagiscono con gli elettroni in modo così forte che il vuoto quantistico stesso viene significativamente alterato. Utilizzando lampi di luce estremamente brevi, hanno interrotto questo accoppiamento molto più velocemente della scala temporale di una fluttuazione del vuoto e hanno osservato un intrigante suono del campo elettromagnetico emesso, indicando il crollo dello stato di vuoto. Il loro risultato chiave potrebbe migliorare la nostra comprensione della natura del nulla:il vuoto dello spazio stesso, aprendo la strada alla fotonica sfruttando le fluttuazioni del vuoto. I risultati sono pubblicati nell'attuale numero di Fotonica della natura .

Una delle intuizioni chiave della meccanica quantistica è che il nulla assoluto, un concetto già discusso dai filosofi greci, non si trova da nessuna parte nella realtà. Al contrario, la teoria quantistica dei campi ha dimostrato che lo spazio apparentemente vuoto è riempito dalle fluttuazioni dei campi di luce e materia, portando ad una continua comparsa e scomparsa di fotoni e particelle massicce. Ai tempi della fondazione della meccanica quantistica, queste conseguenze del principio di indeterminazione di Heisenberg spesso non venivano prese troppo sul serio. Però, la fisica moderna sta scoprendo sempre più come il nostro universo sia modellato dalle fluttuazioni dei campi fisici, che non solo portano a piccoli spostamenti delle righe spettrali degli atomi, ma inoltre può causare l'evaporazione dei buchi neri, e sono in ultima analisi responsabili della struttura su larga scala del nostro universo, formata durante il periodo inflazionistico successivo al big bang. Eppure il controllo di queste fluttuazioni su scala di laboratorio con la relativa precisione temporale è rimasto estremamente impegnativo fino ad oggi.

Ricercatori intorno al Prof. Dr. Christoph Lange, Prof. Dott. Dominique Bougeard, e il Prof. Dr. Rupert Huber (Dipartimento di Fisica, Università di Regensburg) e il Prof. Dr. Cristiano Ciuti (Université de Paris) hanno ora fatto un grande salto verso il controllo delle fluttuazioni del vuoto fortemente potenziate molto più velocemente delle tipiche scale temporali dei fotoni virtuali. A tal fine, hanno creato una struttura semiconduttrice specializzata in cui gli elettroni sono estremamente fortemente accoppiati ai campi luminosi di minuscole antenne progettate per la cosiddetta gamma spettrale dei terahertz.

Di conseguenza, le fluttuazioni nel vuoto dei campi di luce e materia partecipano all'interazione, aumentando fortemente la presenza di fotoni virtuali, anche in completa oscurità. "Il passo avanti fondamentale è stato quindi implementare la funzionalità per disattivare questo accoppiamento in modo estremamente rapido, " Spiega la studentessa di dottorato Maike Halbhuber.

"Siamo stati contenti perché i primi dati hanno mostrato che lo spegnimento ha funzionato perfettamente. Ma siamo rimasti entusiasti quando gli esperimenti avanzati hanno mostrato un intrigante, oscillazione inaspettata del campo luminoso durante la commutazione, " Aggiunge il dottorando Joshua Mornhinweg. Analizzando questo suono del collasso del vuoto quantistico con una teoria tagliata su misura, i ricercatori hanno dimostrato che la commutazione avviene in appena un decimo di trilionesimo di secondo, più di dieci volte più veloce di un ciclo di oscillazione di un fotone virtuale.

I risultati chiave degli stati di vuoto quantistici personalizzati con popolazioni record di fotoni virtuali, e il controllo del sottociclo delle deboli fluttuazioni del punto zero offrono un livello di flessibilità senza precedenti per le indagini future. Come passo successivo immediato, il team cercherà prove dirette dei fotoni virtuali che emergono durante la commutazione del vuoto quantistico progettato. Ancora, è molto probabile che lo scopo di questa idea di ricerca si espanda ulteriormente.

"Implementazione del controllo del sottociclo dei campi del vuoto per concetti esistenti come la chimica quantistica delle cavità, trasporto controllato in cavità, o la superconduttività modificata dal vuoto può svelare informazioni qualitativamente nuove sull'interazione tra campi di vuoto e materia, " Dice il prof. Lange. Gli esperimenti futuri potrebbero non solo affrontare la natura delle fluttuazioni del vuoto, ma inoltre offrono la possibilità di controllare reazioni chimiche o correnti superconduttrici, semplicemente commutando il campo del vuoto sulle scale temporali rilevanti più brevi.