En physique quantique, un vide n'est pas vide, mais plutôt imprégné de minuscules fluctuations du champ électromagnétique. Jusqu'à récemment, il était impossible d'étudier directement ces fluctuations du vide. Des chercheurs de l'ETH Zurich ont développé une méthode qui leur permet de caractériser les fluctuations en détail.

Le vide n'est pas vraiment vide - pas selon les lois de la physique quantique, à tout prix. Le vide, dans lequel classiquement il est supposé n'y avoir "rien, " regorge de fluctuations dites du vide selon la mécanique quantique. Ce sont de petites excursions d'un champ électromagnétique, par exemple, cette moyenne atteint zéro au fil du temps, mais peut s'en écarter pendant un bref instant. Jérôme Faist, professeur à l'Institut d'électronique quantique de l'ETH de Zurich, et ses collaborateurs ont maintenant réussi à caractériser directement pour la première fois ces fluctuations du vide.

"Les fluctuations du vide du champ électromagnétique ont des conséquences clairement visibles, et entre autres, sont responsables du fait qu'un atome peut émettre spontanément de la lumière, " explique Ileana-Cristina Benea-Chelmus, un doctorat récemment diplômé. étudiant au laboratoire Faiss et premier auteur de l'étude récemment publiée dans la revue scientifique La nature . "Pour les mesurer directement, cependant, semble impossible à première vue. Les détecteurs de lumière traditionnels tels que les photodiodes reposent sur le principe selon lequel les particules lumineuses – et donc l'énergie – sont absorbées par le détecteur. Cependant, du vide, qui représente l'état d'énergie le plus bas d'un système physique, aucune autre énergie ne peut être extraite."

Détection électro-optique

Faist et ses collègues ont donc décidé de mesurer directement le champ électrique des fluctuations. À cette fin, ils ont utilisé un détecteur basé sur ce qu'on appelle l'effet électro-optique. Le détecteur est constitué d'un cristal dans lequel la polarisation (la direction d'oscillation, c'est-à-dire) d'une onde lumineuse peut être mis en rotation par un champ électrique - par exemple, par le champ électrique des fluctuations du vide. De cette façon, ce champ électrique laisse une marque visible sous la forme d'une direction de polarisation modifiée de l'onde lumineuse. Deux impulsions laser très courtes d'une durée d'une fraction de millième de milliardième de seconde sont envoyées à travers le cristal en deux points différents et à des instants légèrement différents, et après, leurs polarisations sont mesurées. A partir de ces mesures, les corrélations spatiales et temporelles entre les champs électriques instantanés dans le cristal peuvent enfin être calculées.

Pour vérifier que les champs électriques ainsi mesurés proviennent bien des fluctuations du vide et non du rayonnement thermique du corps noir, les chercheurs ont refroidi l'ensemble de l'appareil de mesure à -269 degrés centigrades. A des températures aussi basses, pratiquement aucun photon du rayonnement thermique ne reste à l'intérieur de l'appareil, de sorte que les fluctuations restantes du champ électrique doivent provenir du vide. "Toujours, le signal mesuré est absolument minuscule, " Le professeur de l'ETH Faist admet, "et nous avons vraiment dû maximiser nos capacités expérimentales de mesure de très petits champs." Selon Faist, un autre défi est que les fréquences des fluctuations électromagnétiques mesurées à l'aide du détecteur électro-optique se situent dans la gamme des térahertz, C'est, environ quelques milliers de milliards d'oscillations par seconde. Dans leur expérience, les scientifiques de l'ETH ont tout de même réussi à mesurer les champs quantiques avec une résolution inférieure à un cycle d'oscillation de la lumière dans le temps et dans l'espace.

Mesurer les fluctuations exotiques du vide

Les chercheurs espèrent qu'à l'avenir, ils pourront mesurer des cas encore plus exotiques de fluctuations du vide à l'aide de leur méthode. En présence de fortes interactions entre photons et matière, qui peut être atteint, par exemple, à l'intérieur des cavités optiques, selon les calculs théoriques, le vide devrait être peuplé d'une multitude de photons dits virtuels. La méthode développée par Faist et ses collaborateurs devrait permettre de tester ces prédictions théoriques.