13.08.2020 - Universität Regensburg

Detrás del velo de la nada

Un equipo internacional de científicos controla las vacas cuánticas personalizadas mucho más rápido que la luz

Un equipo internacional de investigación de Alemania y Francia ha creado estructuras en las que los campos de luz interactúan con los electrones tan fuertemente que el propio vacío cuántico se altera significativamente. Utilizando ráfagas extremadamente cortas de luz, interrumpieron este acoplamiento mucho más rápido que la escala temporal de una fluctuación de vacío y observaron un intrigante zumbido del campo electromagnético emitido, indicando el colapso del estado de vacío. Su logro clave podría mejorar nuestra comprensión de la naturaleza de la nada - el vacío del propio espacio, abriendo camino a la fotónica que explota las fluctuaciones de vacío.

Una de las ideas clave de la mecánica cuántica es que la nada absoluta, un concepto ya discutido por los filósofos griegos, no se encuentra en la realidad. Por el contrario, la teoría de campos cuánticos ha demostrado que el espacio aparentemente vacío se llena con las fluctuaciones de los campos de luz y materia, lo que lleva a un continuo estallido de la existencia y a la desaparición de fotones así como de partículas masivas. En los días fundadores de la mecánica cuántica, estas consecuencias del principio de incertidumbre de Heisenberg a menudo no se tomaban demasiado en serio. Sin embargo, la física moderna está descubriendo cada vez más cómo nuestro universo está formado por fluctuaciones de los campos físicos, que no sólo conducen a diminutos desplazamientos de las líneas espectrales de los átomos, sino que además pueden causar la evaporación de los agujeros negros, y son en última instancia responsables de la estructura a gran escala de nuestro universo, formada durante el período inflacionario que sigue al big bang. Sin embargo, controlar estas fluctuaciones a escala de laboratorio con la precisión temporal pertinente ha seguido siendo extremadamente difícil hasta la fecha.

Los investigadores alrededor del Prof. Dr. Christoph Lange, el Prof. Dr. Dominique Bougeard, y el Prof. Dr. Rupert Huber (Departamento de Física, Universidad de Ratisbona) así como el Prof. Dr. Cristiano Ciuti (Universidad de París) han dado ahora un gran salto hacia el control de las fuertes fluctuaciones del vacío mucho más rápido que las escalas de tiempo típicas de los fotones virtuales. Para ello, crearon una estructura semiconductora especializada en la que los electrones están acoplados de forma extremadamente fuerte a los campos de luz de diminutas antenas diseñadas para el llamado rango espectral de terahercios. Como resultado, las fluctuaciones en el vacío de los campos de luz y materia participan en la interacción, aumentando fuertemente la presencia de fotones virtuales, incluso en la oscuridad total. "El paso adelante clave fue entonces implementar la funcionalidad para apagar este acoplamiento con extrema rapidez", explica la estudiante de doctorado Maike Halbhuber. "Estábamos satisfechos ya que los primeros datos mostraban que el apagado funcionaba perfectamente. Pero nos entusiasmamos cuando los experimentos avanzados mostraron una intrigante e inesperada oscilación del campo de luz durante la conmutación", añade el estudiante de doctorado Joshua Mornhinweg. Analizando este zumbido del vacío cuántico que se colapsa mediante una teoría de corte a medida, los investigadores mostraron que la conmutación se produce en tan sólo una décima de una trillonésima de segundo - más de diez veces más rápido que un ciclo de oscilación de un fotón virtual.

Los logros clave de los estados de vacío cuántico personalizados con poblaciones récord de fotones virtuales y el control de subciclo de las débiles fluctuaciones del punto cero ofrecen un nivel de flexibilidad sin precedentes para futuras investigaciones. Como siguiente paso inmediato, el equipo buscará pruebas directas de fotones virtuales que surjan durante el cambio de vacío cuántico diseñado. Sin embargo, es muy probable que el alcance de esta idea de investigación se amplíe mucho más. "La aplicación del control de subciclo de los campos de vacío para conceptos existentes como la química cuántica de la cavidad, el transporte controlado por la cavidad o la superconductividad modificada por el vacío puede desentrañar información cualitativamente nueva sobre la interacción de los campos de vacío y la materia", prevé el profesor Lange. Es posible que los futuros experimentos no sólo aborden la naturaleza de las fluctuaciones del vacío, sino que además ofrezcan la posibilidad de controlar las reacciones químicas o las corrientes superconductoras, simplemente cambiando el campo de vacío en las escalas de tiempo más breves pertinentes.

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