All’Università di Konstanz è stato fatto un importante passo avanti verso un nuovo accesso sperimentale alla fisica quantistica. Il team di scienziati guidato dal Prof.Alfred Leitenstorfer ha ora mostrao come manipolare il campo elettrico del vuoto e quindi generare deviazioni dallo stato fondamentale dello spazio vuoto, che può essere solo compreso nel contesto della teoria quantistica della luce. Con questi risultati, i ricercatori del campo dei fenomeni ultraveloci e della fotonica, accrescono le loro precedenti scoperte, pubblicate nell’ottobre 2015 nel giornale scientifico “Science”, dove dimostrarono la rilevazione diretta di segnali dal “nulla”. Questo progresso scientifico può risolvere problemi che sopravvivono da lungo tempo e che vanno da una comprensione più profonda della natura quantistica della radiazione, alla ricerca sulle proprietà dei materiali come la superconduttività. I nuovi risultati sono stati pubblicati il 19 gennaio 2017 nel numero corrente del giornale “Nature”: DOI: 10.1038/nature21024. Una tecnica di misurazione ottica sviluppata dal team di Alfred Leitenstorfer, ha permesso questa scoperta. Uno speciale sistema laser genera impulsi ultrabrevi che durano solo alcuni femtosecondi e quindi sono più brevi di metà del ciclo della luce nello spettro sotto esame. Un femtosecondo corrisponde al milionesimo di un miliardesimo di un secondo.
L’estrema sensibilità del metodo permette la rilevazione delle fluttuazioni elettromagnetiche, persino in assenza di intensità, ovvero al buio completo. Teoricamente, l’esistenza di queste “fluttuazioni del vuoto” deriva dal Principio di Indeterminazione di Heisenberg. Alfred Leitenstorfer e il suo gruppo, è riuscito ad osservare direttamente queste fluttuazioni per la prima volta e nella gamma delle frequenze del medio infrarosso, dove persino gli approcci convenzionali alla fisica quantistica non avevano funzionato in passato. La novità concettuale degli esperimenti è che al posto delle tecniche nel dominio della frequenza usate fino ad ora, i fisici della Konstanz hanno fatto accesso alla statistica quantistica della luce direttamente nel dominio temporale. In un dato punto nel tempo, le ampiezze del campo elettrico vengono misurate direttamente, invece di analizzare la luce in una banda ristretta di frequenze. Studiando diversi punti nel tempo si ottengono caratteristici modelli del disturbo che permettono conclusioni dettagliate sullo stato quantistico temporale della luce. Mentre il laser si propaga ad impulsi assieme al campo quantistico sotto esame, i fisici della Konstanz possono, per semplificare, fermare il tempo. Infine, spazio e tempo o “spazio-tempo”, si comportano in modo equivalente in questi esperimenti, una indicazione della natura relativistica della radiazione elettromagnetica.
La nuova tecnica di misura non necessita di assorbire o amplificare i fotoni e quindi è possibile rilevare direttamente il rumore di fondo del vuoto ed anche le sue deviazioni dallo stato fondamentale, create dai ricercatori. “Possiamo analizzare gli stati quantistici senza modificarli in prima approssimazione”, dice Alfred Leitenstorfer. L’alta stabilità della tecnologia della Konstanz è fattore importante per le misurazioni quantistiche, dato che il rumore di fondo dei loro impulsi laser ultrabrevi è molto basso. Manipolando il vuoto con impulsi fortemente focalizzati, i ricercatori hanno trovato una nuova strategia per generare la “squeezed light”, uno stato non-classico del campo di radiazione. La velocità della luce in un certo segmento di spazio-tempo viene deliberatamente modificata con un intenso impulso del laser nei femtosecondi.
Questa modulazione locale della velocità di propagazione “strizza” il campo del vuoto, che equivale ad una redistribuzione delle fluttuazioni del vuoto.
Alfred Leitenstorfer paragona questo meccanismo della fisica quantistica con un ingorgo nel traffico: da un certo punto alcune auto rallentano. Come risultato si forma un ingorgo dietro di esse e davanti diminuisce la densità del traffico. Questo significa: quando le ampiezze della fluttuazione diminuiscono in un posto, aumentano in un altro. Mentre le ampiezze della fluttuazione deviano positivamente dal rumore del vuoto con l’aumento della velocità della luce temporizzato, otteniamo un rallentamento e un fenomeno impressionante: il livello del rumore misurato è più basso dello stato del vuoto, lo stato fondamentale dello spazio vuoto.
La semplice illustrazione del traffico, tuttavia, arriva rapidamente ai suoi limiti: diversamente da questa immagine della “fisica classica”, dove il numero di auto rimane costante, le ampiezze del rumore cambiano completamente con l’aumento di accelerazione e decelerazione dello spazio-tempo. Nel caso di uno “strizzamento” moderato, il rumore è distribuito attorno al livello del vuoto in modo piuttosto simmetrico. Incrementando l’intensità, il decremento inevitabilmente si satura verso lo zero. Il rumore in eccesso accumulato pochi femtosecondi dopo, in contrasto, incrementa in modo non-lineare, diretta conseguenza del Principio di Indeterminazione che ha carattere da prodotto algebrico. Questo fenomeno può essere paragonato con la generazione di uno stato altamente non classico del campo della luce, in cui, per esempio, due fotoni emergono sempre simultaneamente nello stesso volume di spazio e tempo. L’esperimento condotto alla Konstanz solleva numerose nuove domande e promette eccitanti studi in futuro. I fisici puntano a comprendere i limiti fondamentali del loro metodo che sembra lasciare intatto lo stato quantistico. In principio, ogni analisi sperimentale di un sistema quantistico ne perturberebbe lo stato. Correntemente servono ancora numerose misurazioni per avere il risultato: 20 milioni di ripetizioni al secondo. I fisici non possono ancora dire con certezza se si tratti di una cosiddetta “misurazione debole” nei temini convenzionali della teoria quantistica.
Il nuovo approccio sperimentale all’elettrodinamica quantistica è solo il terzo metodo per studiare lo stato quantistico della luce. Ora nascono domande fondamentali: qual’è l’esatto carattere quantistico della luce? Cos’è davvero un fotone? Riguardo l’ultima domanda, ecco l’opinione dei fisici della Konstanz: invece di pacchetti di energia è una misura della statistica quantistica locale dei campi elettromagnetici nello spazio-tempo.
Pubblicazione originale: C. Riek, P. Sulzer, M. Seeger, A.S. Moskalenko, G. Burkard, D.V. Seletskiy, A. Leitenstorfer: “Subcycle Quantum Electrodynamics”. Nature, Advance online publication. DOI: 10.1038/nature21024