Um passo importante em direção a um acesso experimental completamente novo à física quântica foi dado na Universidade de Konstanz. A equipe de cientistas chefiada pelo professor Alfred Leitenstorfer agora mostrou como manipular o campo elétrico do vácuo e, assim, gerar desvios do estado fundamental do espaço vazio que só podem ser entendidos no contexto da teoria quântica da luz.

Com esses resultados, os pesquisadores do campo de fenômenos ultrarrápidos e fotônica se baseiam em suas descobertas anteriores, publicado em outubro de 2015 na revista científica Ciência , onde eles demonstraram detecção direta de sinais de puro nada. Este progresso científico essencial pode tornar possível resolver problemas que os físicos têm lutado por muito tempo, variando de uma compreensão mais profunda da natureza quântica da radiação à pesquisa sobre propriedades atraentes de materiais, como a supercondutividade de alta temperatura. Os novos resultados são publicados em 19 de janeiro de 2017 na atual edição online da revista científica. Natureza .

Uma técnica de medição óptica líder mundial, desenvolvido pela equipe de Alfred Leitenstorfer, tornou possível esse insight fundamental. Um sistema de laser especial gera pulsos de luz ultracurtos que duram apenas alguns femtossegundos e, portanto, são mais curtos do que meio ciclo de luz na faixa espectral investigada. Um femtossegundo corresponde ao milionésimo de um bilionésimo de um segundo. A extrema sensibilidade do método permite a detecção de flutuações eletromagnéticas, mesmo na ausência de intensidade, isso é, em completa escuridão. Teoricamente, a existência dessas "flutuações do vácuo" segue o Princípio da Incerteza de Heisenberg. Alfred Leitenstorfer e sua equipe conseguiram observar diretamente essas flutuações pela primeira vez e na faixa de frequência do infravermelho médio, onde mesmo as abordagens convencionais da física quântica não funcionaram anteriormente.

A novidade conceitual dos experimentos é que, em vez das técnicas de domínio da frequência usadas até agora, os físicos de Konstanz acessaram as estatísticas quânticas da luz diretamente no domínio do tempo. Em um momento escolhido, As amplitudes do campo elétrico são medidas diretamente em vez de analisar a luz em uma banda de frequência estreita. O estudo de diferentes pontos no tempo resulta em padrões de ruído característicos que permitem conclusões detalhadas sobre o estado quântico temporal da luz. À medida que o pulso de laser se propaga junto com o campo quântico em estudo, os físicos de Konstanz podem, por assim dizer, faça o tempo parar. Em última análise, espaço e tempo, isso é "espaço-tempo", comportar-se de forma absolutamente equivalente nesses experimentos - uma indicação da natureza inerentemente relativística da radiação eletromagnética.

Como a nova técnica de medição não precisa absorver os fótons a serem medidos nem amplificá-los, é possível detectar diretamente o ruído de fundo eletromagnético do vácuo e, portanto, também os desvios controlados deste estado de terra, criado pelos pesquisadores. "Podemos analisar estados quânticos sem alterá-los na primeira aproximação", diz Alfred Leitenstorfer. A alta estabilidade da tecnologia Konstanz é um fator importante para as medições quânticas, já que o ruído de fundo de seus pulsos de laser ultracurtos é extremamente baixo.

Ao manipular o vácuo com pulsos de femtossegundos fortemente focados, os pesquisadores propõem uma nova estratégia para gerar "luz comprimida", um estado altamente não clássico de um campo de radiação. A velocidade da luz em um determinado segmento do espaço-tempo é deliberadamente alterada com um pulso intenso do laser de femtossegundo. Esta modulação local da velocidade de propagação "comprime" o campo de vácuo, o que equivale a uma redistribuição das flutuações do vácuo. Alfred Leitenstorfer compara graficamente esse mecanismo da física quântica com um engarrafamento na rodovia:a partir de um certo ponto, alguns carros estão indo mais devagar. Como resultado, o congestionamento do tráfego se instala atrás desses carros, enquanto a densidade do tráfego diminuirá na frente desse ponto. Isso significa:quando as amplitudes de flutuação diminuem em um lugar, eles aumentam em outro.

Embora as amplitudes de flutuação se desviem positivamente do ruído do vácuo na velocidade da luz que aumenta temporariamente, uma desaceleração resulta em um fenômeno surpreendente:o nível de ruído medido é menor do que no estado de vácuo - isto é, o estado fundamental do espaço vazio.

A ilustração simples com o tráfego em uma rodovia, Contudo, atinge rapidamente seus limites:em contraste com esta imagem da "física clássica", onde o número de carros permanece constante, as amplitudes de ruído mudam de maneira completamente diferente com o aumento da aceleração e desaceleração do espaço-tempo. Em caso de "compressão" moderada, o padrão de ruído é distribuído em torno do nível de vácuo de forma bastante simétrica. Com intensidade crescente, Contudo, a diminuição inevitavelmente satura para zero. O excesso de ruído que é acumulado alguns femtossegundos depois, em contraste, aumenta não linearmente - uma consequência direta do caráter do Princípio da Incerteza como um produto algébrico. Este fenômeno pode ser equiparado à geração de um estado altamente não clássico do campo de luz, no qual, por exemplo, sempre dois fótons emergem simultaneamente no mesmo volume de espaço e tempo.

O experimento conduzido em Konstanz levanta inúmeras novas questões e promete estudos interessantes por vir. Próximo, os físicos buscam compreender os limites fundamentais de seu método de detecção sensível, que deixa o estado quântico aparentemente intacto. Em princípio, toda análise experimental de um sistema quântico acabaria por perturbar seu estado. Atualmente, ainda assim, um grande número de medições individuais precisa ser realizado para se obter um resultado:20 milhões de repetições por segundo. Os físicos ainda não podem dizer com certeza se é uma chamada "medição fraca" em termos convencionais da teoria quântica.

A nova abordagem experimental da eletrodinâmica quântica é apenas o terceiro método para estudar o estado quântico da luz. Agora surgem questões fundamentais:qual é exatamente o caráter quântico da luz? O que realmente é um fóton? Sobre a última pergunta, isso está claro para os físicos de Konstanz:em vez de um pacote quantizado de energia, é antes uma medida para as estatísticas quânticas locais dos campos eletromagnéticos no espaço-tempo.