Uma equipe de pesquisa internacional da Alemanha e da França criou estruturas nas quais os campos de luz interagem com os elétrons tão fortemente que o próprio vácuo quântico é significativamente alterado. Usando rajadas de luz extremamente curtas, eles interromperam esse acoplamento muito mais rápido do que a escala de tempo de uma flutuação de vácuo e observaram um zumbido intrigante do campo eletromagnético emitido, indicando o colapso do estado de vácuo. Sua principal conquista poderia melhorar nossa compreensão da natureza do nada - o próprio vácuo do espaço, pavimentando um caminho para a fotônica explorando as flutuações do vácuo. Os resultados são publicados na edição atual da Nature Photonics .

Um dos principais insights da mecânica quântica é que o nada absoluto, um conceito já discutido por filósofos gregos, está longe de ser encontrada na realidade. Muito pelo contrário, a teoria quântica de campos mostrou que o espaço aparentemente vazio é preenchido por flutuações de campos de luz e matéria, levando a um contínuo surgimento e desaparecimento de fótons, bem como de partículas massivas. Nos dias da fundação da mecânica quântica, essas consequências do princípio da incerteza de Heisenberg muitas vezes não eram levadas muito a sério. Contudo, a física moderna está descobrindo cada vez mais como nosso universo é moldado por flutuações de campos físicos, que não só levam a pequenas mudanças nas linhas espectrais dos átomos, mas, além disso, pode causar a evaporação de buracos negros, e são os responsáveis ​​pela estrutura em grande escala do nosso universo, formado durante o período inflacionário após o big bang. No entanto, controlar essas flutuações em escala de laboratório com a precisão temporal relevante tem permanecido extremamente desafiador até hoje.

Pesquisadores em torno do Prof. Dr. Christoph Lange, Prof. Dr. Dominique Bougeard, e Prof. Dr. Rupert Huber (Departamento de Física, University of Regensburg), bem como o Prof. Dr. Cristiano Ciuti (Université de Paris), agora deram um grande salto em direção ao controle de flutuações de vácuo fortemente intensificadas muito mais rápido do que as escalas de tempo típicas de fótons virtuais. Para este fim, eles criaram uma estrutura semicondutora especializada na qual os elétrons são extremamente fortemente acoplados aos campos de luz de minúsculas antenas projetadas para a chamada faixa espectral terahertz.

Como resultado, flutuações de vácuo de campos de luz e matéria participam da interação, aumentando fortemente a presença de fótons virtuais - mesmo na escuridão completa. "O principal passo à frente foi implementar a funcionalidade para desligar esse acoplamento com extrema rapidez, "O aluno de doutorado Maike Halbhuber explica.

"Ficamos satisfeitos porque os primeiros dados mostraram que o desligamento funcionou perfeitamente. Mas ficamos entusiasmados quando experimentos avançados mostraram um intrigante, oscilação inesperada do campo de luz durante a comutação, "O estudante de doutorado Joshua Mornhinweg acrescenta. Analisando esse zumbido do vácuo quântico em colapso por meio de uma teoria personalizada, os pesquisadores mostraram que a mudança ocorre em apenas um décimo de um trilionésimo de segundo - mais de dez vezes mais rápido do que um ciclo de oscilação de um fóton virtual.

As principais realizações dos estados de vácuo quântico personalizados com populações recordes de fótons virtuais, e o controle de subciclos de fracas flutuações de ponto zero oferecem um nível sem precedentes de flexibilidade para investigações futuras. Como uma próxima etapa imediata, a equipe irá procurar evidências diretas de fótons virtuais emergentes durante a troca do vácuo quântico projetado. Ainda, o escopo dessa ideia de pesquisa provavelmente se expandirá muito mais.

"Implementando o controle de subciclos de campos de vácuo para conceitos existentes, como química quântica de cavidade, transporte controlado por cavidade, ou a supercondutividade modificada por vácuo pode desvendar informações qualitativamente novas sobre a interação de campos de vácuo e matéria, "Prof. Lange diz. Futuros experimentos podem não apenas abordar a natureza das flutuações do vácuo, mas, além disso, oferecem a possibilidade de controlar reações químicas ou correntes supercondutoras, simplesmente mudando o campo de vácuo nas escalas de tempo relevantes mais curtas.