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  • 看,这就是真空的样子!首次让量子真空本身,发生了显着的改变

    看本文的图示,这就是真空的样子,科学家首次创造出光场与电子相互作用如此强烈的结构,以至于量子真空本身发生了显着的改变。使用极短的光脉冲,中断这种耦合的速度,比真空波动的时间快得多,并观察到发射的电磁场发出有趣的振铃,表明真空态崩溃,其研究成果可以提高我们对虚无本质(空间本身的真空)的理解,为利用真空涨落的光子学铺平道路,其研究成果发表在《自然光子学》期刊上。

    看,这就是真空的样子!首次让量子真空本身,发生了显着的改变

    量子力学的一个关键见解是,真空并非绝对虚无,这个希腊哲学家已经讨论过的概念,在现实中是无处可寻的。相反,量子场论表明,看似空白的空间被光场和物质场的涨落填满,导致光子和大质量粒子的存在和消失不断涌现。在量子力学创立之初,海森堡测不准原理的这些结果往往没有受到太多重视。然而,现代物理学越来越多地发现:宇宙是如何由这些物理场的波动来塑造。

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    这不仅导致原子谱线的微小移动,而且还可能导致黑洞的蒸发,并最终造成宇宙大爆炸后膨胀时期形成的大规模结构。然而,到目前为止,在实验室范围内以相关的时间精度,控制这些波动仍然具有极大的挑战性。克里斯托夫·兰格(Christoph Lange)教授、多米尼克·布格尔德(Dominique Bougeard)教授、雷根斯堡大学(University Of Regensburg)物理系鲁珀特·胡贝尔(Rupert Huber)教授

    真空并非虚无且有波动

    以及巴黎大学克里斯蒂亚诺·丘蒂(Cristiano Ciuti)教授等研究人员,现在已经在控制强增强真空波动方面取得了重大飞跃,其速度远远快于典型的虚光子时间尺度。为此,他们创造了一种特殊的半导体结构,在这种结构中,电子与为所谓太赫兹光谱范围设计的微型天线光场进行了极强的耦合。结果,光场和物质场的真空波动参与了相互作用,即使在完全黑暗的情况下,也会强烈增加虚光子的存在。

    看,这就是真空的样子!首次让量子真空本身,发生了显着的改变

    接下来的关键一步是实现功能,以极快的速度关闭这种耦合。当第一批数据显示开关工作完美时,研究人员很高兴,当高级实验显示切换过程中光场出现了有趣、意想不到的振荡。通过定制理论分析崩溃量子真空的这种振铃,研究表明,这种转换发生在十万亿分之一秒内,比虚拟光子的振荡周期快十倍以上。具有创纪录虚拟光子数量的自定义量子真空态的关键成就,以及对微弱零点波动的子周期控制,为未来的研究提供了前所未有的灵活性水平。

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    作为直接的下一步,研究小组将寻找在切换设计的量子真空过程中,出现虚拟光子的直接证据。然而,这一研究思路的范围很有可能进一步扩大。为现有的概念,如腔量子化学、腔控制输运或真空修正超导实施真空场的子周期控制,可能会从质上揭示真空场与物质相互作用的新信息。未来的实验不仅可能解决真空波动的本质,而且还提供了控制化学反应或超导电流的可能性,只需在最短的相关时间尺度上切换真空场即可。

    看,这就是真空的样子!首次让量子真空本身,发生了显着的改变

    博科园|研究/来自:雷根斯堡大学

    参考期刊《自然光子学》

    DOI: 10.1038/s41566-020-0673-2

    博科园|科学、科技、科研、科普

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