看，這就是真空的樣子！首次讓量子真空本身，發生了顯著的改變

2020-08-11 博科園

看本文的圖示，這就是真空的樣子，科學家首次創造出光場與電子相互作用如此強烈的結構，以至於量子真空本身發生了顯著的改變。使用極短的光脈衝，中斷這種耦合的速度，比真空波動的時間快得多，並觀察到發射的電磁場發出有趣的振鈴，表明真空態崩潰，其研究成果可以提高我們對虛無本質（空間本身的真空）的理解，為利用真空漲落的光子學鋪平道路，其研究成果發表在《自然光子學》期刊上。

量子力學的一個關鍵見解是，真空並非絕對虛無，這個希臘哲學家已經討論過的概念，在現實中是無處可尋的。相反，量子場論表明，看似空白的空間被光場和物質場的漲落填滿，導致光子和大質量粒子的存在和消失不斷湧現。在量子力學創立之初，海森堡測不準原理的這些結果往往沒有受到太多重視。然而，現代物理學越來越多地發現：宇宙是如何由這些物理場的波動來塑造。

這不僅導致原子譜線的微小移動，而且還可能導致黑洞的蒸發，並最終造成宇宙大爆炸後膨脹時期形成的大規模結構。然而，到目前為止，在實驗室範圍內以相關的時間精度，控制這些波動仍然具有極大的挑戰性。克裡斯託夫·蘭格(Christoph Lange)教授、多米尼克·布格爾德(Dominique Bougeard)教授、雷根斯堡大學(University Of Regensburg)物理系魯珀特·胡貝爾(Rupert Huber)教授

真空並非虛無且有波動

以及巴黎大學克裡斯蒂亞諾·丘蒂(Cristiano Ciuti)教授等研究人員，現在已經在控制強增強真空波動方面取得了重大飛躍，其速度遠遠快於典型的虛光子時間尺度。為此，他們創造了一種特殊的半導體結構，在這種結構中，電子與為所謂太赫茲光譜範圍設計的微型天線光場進行了極強的耦合。結果，光場和物質場的真空波動參與了相互作用，即使在完全黑暗的情況下，也會強烈增加虛光子的存在。

接下來的關鍵一步是實現功能，以極快的速度關閉這種耦合。當第一批數據顯示開關工作完美時，研究人員很高興，當高級實驗顯示切換過程中光場出現了有趣、意想不到的振蕩。通過定製理論分析崩潰量子真空的這種振鈴，研究表明，這種轉換發生在十萬億分之一秒內，比虛擬光子的振蕩周期快十倍以上。具有創紀錄虛擬光子數量的自定義量子真空態的關鍵成就，以及對微弱零點波動的子周期控制，為未來的研究提供了前所未有的靈活性水平。

作為直接的下一步，研究小組將尋找在切換設計的量子真空過程中，出現虛擬光子的直接證據。然而，這一研究思路的範圍很有可能進一步擴大。為現有的概念，如腔量子化學、腔控制輸運或真空修正超導實施真空場的子周期控制，可能會從質上揭示真空場與物質相互作用的新信息。未來的實驗不僅可能解決真空波動的本質，而且還提供了控制化學反應或超導電流的可能性，只需在最短的相關時間尺度上切換真空場即可。

博科園｜研究/來自：雷根斯堡大學

參考期刊《自然光子學》

DOI: 10.1038/s41566-020-0673-2

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