Une équipe de recherche internationale d’Allemagne et de France a créé des structures dans lesquelles les champs de lumière interagissent si fortement avec les électrons que le vide quantique lui-même est considérablement modifié. En utilisant des éclats de lumière extrêmement courts, ils ont interrompu ce couplage beaucoup plus rapidement que l’échelle de temps d’une fluctuation du vide et ont observé une sonnerie intrigante du champ électromagnétique émis, indiquant l’effondrement de l’état de vide. Leur réalisation clé pourrait améliorer notre compréhension de la nature du néant – le vide de l’espace lui-même, ouvrant la voie à la photonique exploitant les fluctuations du vide. Les résultats sont publiés dans le numéro actuel de Photonique de la nature.

L’une des idées clés de la mécanique quantique est que le néant absolu, un concept déjà discuté par les philosophes grecs, ne se trouve nulle part dans la réalité. Bien au contraire, la théorie quantique des champs a montré que l’espace apparemment vide est rempli par les fluctuations des champs de lumière et de matière, conduisant à une apparition continue et à la disparition des photons ainsi que des particules massives. Dans les jours fondateurs de la mécanique quantique, ces conséquences du principe d’incertitude d’Heisenberg n’étaient souvent pas prises trop au sérieux. Cependant, la physique moderne découvre de plus en plus comment notre univers est façonné par les fluctuations des champs physiques, qui non seulement conduisent à de minuscules décalages des raies spectrales des atomes, mais peuvent en outre provoquer l’évaporation des trous noirs, et sont en fin de compte responsables de la grande échelle. structure de notre univers, formée pendant la période inflationniste qui a suivi le big bang. Pourtant, contrôler ces fluctuations à l’échelle du laboratoire avec la précision temporelle appropriée est resté extrêmement difficile à ce jour.

Chercheurs autour du Prof. Dr. Christoph Lange, Prof. Dr. Dominique Bougeard et Prof. Dr. Rupert Huber (Département de physique, Université de Regensburg) ainsi que le Prof. Dr. Cristiano Ciuti (Université de Paris) a maintenant fait un grand pas en avant pour contrôler les fluctuations de vide fortement améliorées beaucoup plus rapidement que les échelles de temps typiques des photons virtuels. À cette fin, ils ont créé une structure semi-conductrice spécialisée dans laquelle les électrons sont extrêmement fortement couplés aux champs lumineux de minuscules antennes conçues pour la gamme spectrale dite térahertz.

En conséquence, les fluctuations de vide des champs de lumière et de matière participent à l’interaction, augmentant fortement la présence de photons virtuels, même dans l’obscurité totale. « Le principal pas en avant était alors de mettre en œuvre des fonctionnalités pour désactiver ce couplage extrêmement rapidement », a déclaré Ph.D. explique l’étudiante Maike Halbhuber.

« Nous avons été ravis que les premières données aient montré que l’arrêt fonctionnait parfaitement. Mais nous avons été ravis lorsque des expériences avancées ont montré une oscillation intrigante et inattendue du champ lumineux pendant la commutation, » Ph.D. ajoute l’étudiant Joshua Mornhinweg. En analysant cette sonnerie du vide quantique qui s’effondre par une théorie de la coupe personnalisée, les chercheurs ont montré que la commutation se produit en seulement un dixième de billionième de seconde – plus de dix fois plus vite qu’un cycle d’oscillation d’un photon virtuel.

Les principales réalisations des états de vide quantique personnalisés avec des populations record de photons virtuels et le contrôle des sous-cycles des faibles fluctuations du point zéro offrent un niveau de flexibilité sans précédent pour les futures enquêtes. Dans la prochaine étape immédiate, l’équipe recherchera des preuves directes de photons virtuels émergeant lors de la commutation de la vacua quantique conçue. Pourtant, la portée de cette idée de recherche est très susceptible de s’étendre beaucoup plus.

«La mise en œuvre du contrôle de sous-cycle des champs de vide pour des concepts existants tels que la chimie quantique des cavités, le transport contrôlé par cavité ou la supraconductivité modifiée par le vide peut démêler des informations qualitativement nouvelles sur l’interaction des champs de vide et de la matière», le Prof. Dit Lange. Les expériences futures peuvent non seulement aborder la nature des fluctuations de vide, mais offrent en outre la possibilité de contrôler des réactions chimiques ou des courants supraconducteurs, simplement en commutant le champ de vide sur les échelles de temps pertinentes les plus courtes.