看，這就是真空的樣子！首次讓量子真空本身，發(fā)生了顯著的改變！

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

量子力學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵見解是，真空并非絕對虛無，這個(gè)希臘哲學(xué)家已經(jīng)討論過的概念，在現(xiàn)實(shí)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(zhì)場的漲落填滿，導(dǎo)致光子和大質(zhì)量粒子的存在和消失不斷涌現(xiàn)。在量子力學(xué)創(chuàng)立之初，海森堡測不準(zhǔn)原理的這些結(jié)果往往沒有受到太多重視。然而，現(xiàn)代物理學(xué)越來越多地發(fā)現(xiàn)：宇宙是如何由這些物理場的波動(dòng)來塑造。

這不僅導(dǎo)致原子譜線的微小移動(dòng)，而且還可能導(dǎo)致黑洞的蒸發(fā)，并最終造成宇宙大爆炸后膨脹時(shí)期形成的大規(guī)模結(jié)構(gòu)。然而，到目前為止，在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)以相關(guān)的時(shí)間精度，控制這些波動(dòng)仍然具有極大的挑戰(zhàn)性?？死锼雇蟹颉ぬm格(Christoph Lange)教授、多米尼克·布格爾德(Dominique Bougeard)教授、雷根斯堡大學(xué)(University Of Regensburg)物理系魯珀特·胡貝爾(Rupert Huber)教授

真空并非虛無且有波動(dòng)

以及巴黎大學(xué)克里斯蒂亞諾·丘蒂(Cristiano Ciuti)教授等研究人員，現(xiàn)在已經(jīng)在控制強(qiáng)增強(qiáng)真空波動(dòng)方面取得了重大飛躍，其速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于典型的虛光子時(shí)間尺度。為此，他們創(chuàng)造了一種特殊的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，電子與為所謂太赫茲光譜范圍設(shè)計(jì)的微型天線光場進(jìn)行了極強(qiáng)的耦合。結(jié)果，光場和物質(zhì)場的真空波動(dòng)參與了相互作用，即使在完全黑暗的情況下，也會(huì)強(qiáng)烈增加虛光子的存在。

接下來的關(guān)鍵一步是實(shí)現(xiàn)功能，以極快的速度關(guān)閉這種耦合。當(dāng)?shù)谝慌鷶?shù)據(jù)顯示開關(guān)工作完美時(shí)，研究人員很高興，當(dāng)高級(jí)實(shí)驗(yàn)顯示切換過程中光場出現(xiàn)了有趣、意想不到的振蕩。通過定制理論分析崩潰量子真空的這種振鈴，研究表明，這種轉(zhuǎn)換發(fā)生在十萬億分之一秒內(nèi)，比虛擬光子的振蕩周期快十倍以上。具有創(chuàng)紀(jì)錄虛擬光子數(shù)量的自定義量子真空態(tài)的關(guān)鍵成就，以及對微弱零點(diǎn)波動(dòng)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(shè)計(jì)的量子真空過程中，出現(xiàn)虛擬光子的直接證據(jù)。然而，這一研究思路的范圍很有可能進(jìn)一步擴(kuò)大。為現(xiàn)有的概念，如腔量子化學(xué)、腔控制輸運(yùn)或真空修正超導(dǎo)實(shí)施真空場的子周期控制，可能會(huì)從質(zhì)上揭示真空場與物質(zhì)相互作用的新信息。未來的實(shí)驗(yàn)不僅可能解決真空波動(dòng)的本質(zhì)，而且還提供了控制化學(xué)反應(yīng)或超導(dǎo)電流的可能性，只需在最短的相關(guān)時(shí)間尺度上切換真空場即可。

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博科園｜研究/來自：雷根斯堡大學(xué)

參考期刊《自然光子學(xué)》

DOI: 10.1038/s41566-020-0673-2

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