Se ha dado un paso importante hacia un acceso experimental completamente nuevo a la física cuántica en la Universidad de Konstanz. El equipo de científicos encabezado por el profesor Alfred Leitenstorfer ahora ha mostrado cómo manipular el campo de vacío eléctrico y generar desviaciones del estado fundamental deespacio vacío que solo puede entenderse en el contexto de la teoría cuántica de la luz.
Con estos resultados, los investigadores del campo de los fenómenos ultrarrápidos y la fotónica se basan en sus hallazgos anteriores, publicados en octubre de 2015 en la revista científica ciencia , donde han demostrado la detección directa de señales de la nada pura. Este progreso científico esencial podría permitir resolver los problemas con los que los físicos han lidiado durante mucho tiempo, desde una comprensión más profunda de la naturaleza cuántica de la radiación hasta la investigación sobrepropiedades atractivas del material, como la superconductividad a alta temperatura.
Los nuevos resultados se publican el 19 de enero de 2017 en la edición en línea actual de la revista científica Naturaleza .
Una técnica de medición óptica líder en el mundo, desarrollada por el equipo de Alfred Leitenstorfer, hizo posible esta visión fundamental. Un sistema láser especial genera pulsos de luz ultracortos que duran solo unos pocos femtosegundos y, por lo tanto, son más cortos que medio ciclo de luz en el espectro investigadorango. Un femtosegundo corresponde a la millonésima de una billonésima de segundo. La sensibilidad extrema del método permite la detección de fluctuaciones electromagnéticas incluso en ausencia de intensidad, es decir, en completa oscuridad. Teóricamente, la existencia de estas "fluctuaciones de vacío"se desprende del Principio de incertidumbre de Heisenberg. Alfred Leitenstorfer y su equipo lograron observar directamente estas fluctuaciones por primera vez y en el rango de frecuencia del infrarrojo medio, donde incluso los enfoques convencionales de la física cuántica no habían funcionado previamente.
La novedad conceptual de los experimentos es que, en lugar de las técnicas de dominio de frecuencia utilizadas hasta ahora, los físicos de Konstanz accedieron a estadísticas cuánticas de luz directamente en el dominio del tiempo. En un momento determinado, las amplitudes del campo eléctrico se miden directamente en su lugarde analizar la luz en una banda de frecuencia estrecha. Estudiar diferentes puntos en el tiempo da como resultado patrones de ruido característicos que permiten conclusiones detalladas sobre el estado cuántico temporal de la luz. A medida que el pulso láser se propaga junto con el campo cuántico en estudio, los físicos de Konstanz pueden,por así decirlo, detenga el tiempo. Finalmente, el espacio y el tiempo, es decir, el "espacio-tiempo", se comportan de manera absolutamente equivalente en estos experimentos, una indicación de la naturaleza inherentemente relativista de la radiación electromagnética.
Como la nueva técnica de medición no tiene que absorber los fotones a medir ni amplificarlos, es posible detectar directamente el ruido de fondo electromagnético del vacío y, por lo tanto, también las desviaciones controladas de este estado fundamental, creado por los investigadores ".Podemos analizar estados cuánticos sin cambiarlos en la primera aproximación ", dice Alfred Leitenstorfer. La alta estabilidad de la tecnología Konstanz es un factor importante para las mediciones cuánticas, ya que el ruido de fondo de sus pulsos láser ultracortos es extremadamente bajo.
Al manipular el vacío con pulsos de femtosegundos fuertemente enfocados, los investigadores idean una nueva estrategia para generar "luz comprimida", un estado altamente no clásico de un campo de radiación. La velocidad de la luz en un determinado segmento del espacio-tiempo es deliberadamentecambiado con un pulso intenso del láser de femtosegundos. Esta modulación local de la velocidad de propagación "exprime" el campo de vacío, lo que equivale a una redistribución de las fluctuaciones de vacío. Alfred Leitenstorfer compara este mecanismo de física cuántica gráficamente con un atasco de tráfico en elautopista: a partir de cierto punto, algunos automóviles van más despacio. Como resultado, la congestión del tráfico se establece detrás de estos automóviles, mientras que la densidad del tráfico disminuirá frente a ese punto. Eso significa: cuando las amplitudes de fluctuación disminuyen en un lugar,aumentar en otro.
Si bien las amplitudes de fluctuación se desvían positivamente del ruido de vacío a una velocidad de la luz que aumenta temporalmente, una desaceleración da como resultado un fenómeno sorprendente: el nivel de ruido medido es menor que en el estado de vacío, es decir, el estado fundamental de vacíoespacio.
La ilustración simple con el tráfico en una autopista, sin embargo, alcanza rápidamente sus límites: en contraste con esta imagen de "física clásica", donde el número de automóviles permanece constante, las amplitudes de ruido cambian de manera completamente diferente al aumentar la aceleración y la desaceleración del espacio- tiempo. En caso de un "apretón" moderado, el patrón de ruido se distribuye alrededor del nivel de vacío de manera bastante simétrica. Sin embargo, con una intensidad creciente, la disminución inevitablemente se satura hacia cero. El exceso de ruido que se acumula unos pocos femtosegundos más tarde, en contraste, aumenta de forma no lineal, una consecuencia directa del carácter del Principio de Incertidumbre como producto algebraico. Este fenómeno puede equipararse con la generación de un estado altamente no clásico del campo de luz, en el que, por ejemplo, siempre emergen dos fotones simultáneamente enel mismo volumen de espacio y tiempo
El experimento realizado en Konstanz plantea numerosas preguntas nuevas y promete estudios interesantes por venir. A continuación, los físicos pretenden comprender los límites fundamentales de su método de detección sensible que deja el estado cuántico aparentemente intacto. En principio, cada análisis experimental de un cuantoel sistema finalmente perturbaría su estado. Actualmente, todavía se necesita realizar un gran número de mediciones individuales para obtener un resultado: 20 millones de repeticiones por segundo. Los físicos aún no pueden decir con certeza si se trata de un supuesto "débilmedición "en términos convencionales de teoría cuántica.
El nuevo enfoque experimental de la electrodinámica cuántica es solo el tercer método para estudiar el estado cuántico de la luz. Ahora surgen preguntas fundamentales: ¿Cuál es exactamente el carácter cuántico de la luz? ¿Qué es realmente un fotón? En cuanto a la última pregunta, eso esclaro para los físicos de Konstanz: en lugar de un paquete cuantificado de energía, es más bien una medida para las estadísticas cuánticas locales de campos electromagnéticos en el espacio-tiempo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Constanza . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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