Aktuelles: Hinter einem Schleier aus Nichts

Physiker:innen aus Regensburg und Paris haben einen neuen Weg gefunden, den exotischen Vakuumgrundzustand von extrem stark Licht-Materie-gekoppelten Nanostrukturen in weniger als einem Zehntel der Oszillationsperiode des Lichts gezielt zu manipulieren. Die Ergebnisse verbessern das Verst?ndnis von Vakuumfluktuationen und stellen darüber hinaus m?gliche Anwendungen im Bereich der Quantenchemie und supraleitender Materialien in Aussicht. Darüber berichtet die Forschergruppe in der kommenden Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Photonics.

Bereits die Philosophen der Antike diskutierten das faszinierende Konzept des absoluten Nichts, welches auch in die klassische Physik Einzug hielt. Die Quantenmechanik und ihre Feldtheorien jedoch r?umen mit der Vorstellung dieser perfekten Leere auf, indem sie Teilchen und Licht anhand von Feldfunktionen beschreiben, die stetigen Fluktuationen unterliegen. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e sogenannten Vakuumfluktuationen bedingen eine stetige Erzeugung und anschlie?ende Vernichtung von Quanten auf sehr kurzen Zeitskalen und füllen den Raum mit einem sch?umenden, brodelnden Bad virtueller Teilchen. Deren fundamentale Bedeutung für das Universum erstreckt sich vom ganz Kleinen – minimaler Verschiebungen atomarer Linienspektren – bis hin zum ganz Gro?en – dem Verdampfen schwarzer L?cher und der Struktur des Universums über Distanzen von Milliarden von Lichtjahren. Ungeachtet ihrer kritischen Rolle blieben Vakuumfluktuationen bislang jedoch unter Laborbedingungen nur schwer zug?nglich.

Das Forscherteam um die Regensburger Physiker Prof. Dr. Christoph Lange, Prof. Dr. Dominique Bougeard und Prof. Dr. Rupert Huber sowie Prof. Dr. Cristiano Ciuti von der Université de Paris hat nun einen entscheidenden Schritt zur Kontrolle dieser Quantenvakua gemacht. Hierfür stellten sie eine spezielle Halbleiterstruktur her, in welcher die Elektronen ungeahnt stark an das Lichtfeld von kleinen Antennen im sogenannten Terahertz-Spektralbereich (1 THz = 1012 Hz) koppeln. Der extrem starke Austausch von Energie zwischen Licht- und Materiefeldern führt dazu, dass Vakuumfluktuationen des Lichtfeldes, also virtuelle Photonen, in der Struktur besonders dominant auftreten – selbst in kompletter Dunkelheit. ?Der entscheidende Punkt ist, dass wir die Kopplung extrem schnell ausschalten“, erkl?rt Doktorandin Maike Halbhuber. Doktorand Joshua Mornhinweg erg?nzt: ?Besonders faszinierend sind au?erdem die unerwarteten Nachschwingungen des Lichtfeldes beim Schalten.“ Das pl?tzliche Ausschalten der Lichtresonators entrei?t den Elektronen die Decke aus virtuellen Photonen und enthüllt deren sonst unzug?nglichen Quantenzustand. Durch die ausführliche Analyse dieser Oszillationen des kollabierenden Quantenvakuums konnte das Team best?tigen, dass das Ausschalten schneller als ein Zehntel eines Billionstels einer Sekunde abl?uft – weit schneller als ein Zehntel der Oszillationsperiode der virtuellen Photonen.

Im n?chsten Schritt beabsichtigt die Forschergruppe, die virtuellen Photonen, die gem?? der Theorie beim Ausschalten des exotischen Zustandes freiwerden, erstmalig direkt nachzuweisen. Damit sind die M?glichkeiten des Konzeptes aber noch nicht ersch?pft, wie Prof. Lange erl?utert: ?Es ist denkbar, dass unsere Strukturen darüber hinaus vielf?ltige M?glichkeiten er?ffnen, Kontrolle über neuartige Ph?nomene wie Quantenchemie in Resonatoren oder durch Vakuumfelder kontrollierte Supraleitung sowie elektronischen Transport zu erlangen.“ Neben Aspekten der Grundlagenforschung erm?glicht das Konzept der Regensburger und Pariser Forscher:innen somit auch eine Reihe spannender Anwendungen. 


Originalpublikation:
M. Halbhuber, J. Mornhinweg, V. Zeller, C. Ciuti, D. Bougeard, R. Huber, and C. Lange,
“Non-adiabatic stripping of a cavity field from deep-strongly coupled electrons”,
Nature Photonics (2020).
https://doi.org/10.1038/s41566-020-0673-2 (externer Link, ?ffnet neues Fenster)

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