Comprendere le fluttuazioni di vuoto dello spazio

Un gruppo di ricerca internazionale, costituito da componenti francesi e tedeschi, ha creato delle strutture in cui si produce una forte interazione tra campi di luce ed elettroni, tale da risultarne significativamente alterato lo stesso vuoto quantistico.

Utilizzando dei lampi di luce estremamente brevi, i ricercatori hanno interrotto questo accoppiamento, molto più velocemente rispetto alla scala temporale di una fluttuazione quantistica, e hanno osservato un sorprendente segnale del campo magnetico emesso, con conseguente collasso dello stato di vuoto. I risultati raggiunti, pubblicati su Nature Photonics, potrebbero migliorare la nostra comprensione relativa alla natura del nulla – il vuoto spaziale, aprendo la strada alla fotonica che utilizza le fluttuazioni del vuoto.

Fluttuazioni nel vuoto e nulla cosmico

Una delle intuizioni della meccanica quantistica è che il nulla assoluto, un concetto già discusso dai filosofi greci, non è rinvenibile in alcun posto della realtà. Al contrario, la teoria quantistica dei campi ha dimostrato che lo spazio apparentemente vuoto, è riempito da fluttuazioni di luce e campi di materia, portando a un continuo passaggio tra la comparsa e la scomparsa di fotoni e di particelle pesanti.

Agli albori della meccanica quantistica, queste conseguenze del principio di indeterminazione di Heisenberg non venivano prese molto sul serio. Invece, la fisica moderna sta scoprendo, progressivamente, come le fluttuazioni di campi fisici diano forma al nostro universo. Queste fluttuazioni non solo portano a piccoli spostamenti delle linee spettrali degli atomi, ma possono anche causare l’evaporazione di buchi neri, ed essere infine responsabili della struttura a larga scala dell’universo, formatosi durante il periodo inflazionario che è seguito al big bang.

Tuttavia, il controllo di queste fluttuazioni a livello di laboratorio, con elevata precisione temporale, finora si è dimostrata una sfida molto ardua.

Il gruppo di ricerca, coordinato da Christoph Lange, Dominique Bougeard e Ruper Huber (Dipartimento di fisica dell’Università di Resenburg), e da Cristiano Ciuti dell’Università di Parigi, ha effettuato un importante passo avanti verso il controllo di fluttuazioni del vuoto fortemente aumentate, molto più velocemente rispetto alle scale temporali dei fotoni virtuali. Per questo scopo, è stata creata una particolare struttura a semiconduttore, nella quale gli elettroni sono fortemente accoppiati con i campi di luce di piccole antenne, progettate per operare nel campo di frequenza dei terahertz.

Di conseguenza, nell’interazione partecipano fluttuazioni di vuoto della luce e campi di materia, aumentando fortemente la presenza di fotoni virtuali – persino in totale assenza di luce. Il passo fondamentale di questa sperimentazione è stato quello di disattivare questo accoppiamento in tempi rapidissimi.

Al di là del risultato positivo raggiunto, i ricercatori hanno altresì rilevato, durante la fase di disattivazione dell’accoppiamento, la presenza di un’oscillazione di campo di luce. Analizzando questo segnale del vuoto quantistico in collasso con la teoria di riferimento, i ricercatori hanno dimostrato che l’interruzione di accoppiamento si verifica in 10^-13 secondi – più di dieci volte superiore alla velocità del ciclo di oscillazione di un fotone virtuale.

La determinazione di stati di vuoto quantistico personalizzati, con un ingente numero di fotoni virtuali, e il controllo delle deboli fluttuazioni del punto zero, aprono nuove frontiere per le ricerche future. Il passo successivo consisterà nella ricerca di una diretta evidenza di fotoni virtuali, che emergono durante la disattivazione di vuoti quantistici progettati.

Implementare il controllo del sottociclo dei campi di vuoto, per concetti già esistenti, come la chimica della buca quantistica o la superconduttività modificata dal vuoto, potrebbe svelare nuove informazioni sull’interazione tra campi del vuoto e materia. I prossimi esperimenti non saranno esclusivamente dedicati alla natura delle fluttuazioni del vuoto, ma offriranno la possibilità di controllare le reazioni chimiche o le correnti superconduttive, semplicemente posizionando il campo del vuoto sulle più piccole scale temporali che interessano.

Fonte: Nature