Une équipe de recherche internationale d'Allemagne et de France a créé des structures dans lesquelles les champs lumineux interagissent avec les électrons si fortement 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 dernier numéro de Photonique de la nature .

L'une des connaissances clés de la mécanique quantique est que le néant absolu, un concept déjà discuté par les philosophes grecs, est introuvable 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 un surgissement continu de l'existence et de la disparition des photons ainsi que des particules massives. Aux premiers jours de la mécanique quantique, ces conséquences du principe d'incertitude de 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 de plus peut provoquer l'évaporation des trous noirs, et sont finalement responsables de la structure à grande échelle de notre univers, formé 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.

Des chercheurs autour du Prof. Dr. Christoph Lange, Pr Dr Dominique Bougeard, et Prof. Dr. Rupert Huber (Département de physique, Université de Ratisbonne) ainsi que le professeur Dr. Cristiano Ciuti (Université de Paris) ont maintenant fait un grand pas vers le contrôle des fluctuations du 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.

Par conséquent, les fluctuations du vide des champs de lumière et de matière participent à l'interaction, augmentant fortement la présence de photons virtuels, même dans l'obscurité totale. « L'étape clé a ensuite été de mettre en place une fonctionnalité permettant de désactiver ce couplage extrêmement rapidement, ", explique Maike Halbhuber, doctorante.

« Nous étions ravis car les premières données ont montré que l'arrêt fonctionnait parfaitement. Mais nous avons été ravis lorsque des expériences avancées ont montré une intrigante, oscillation inattendue du champ lumineux lors de la commutation, " ajoute Joshua Mornhinweg, étudiant au doctorat. En analysant cette sonnerie du vide quantique qui s'effondre par une théorie de coupe personnalisée, les chercheurs ont montré que la commutation se produit en seulement un dixième de billionième de seconde, soit 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 de sous-cycle des faibles fluctuations du point zéro offrent un niveau de flexibilité sans précédent pour les enquêtes futures. Comme prochaine étape immédiate, l'équipe recherchera des preuves directes de l'émergence de photons virtuels lors de la commutation du vide quantique conçu. Encore, la portée de cette idée de recherche est très susceptible de s'étendre beaucoup plus loin.

"Mettre en œuvre le contrôle de sous-cycle des champs de vide pour des concepts existants tels que la chimie quantique des cavités, transport à cavité contrôlée, ou la supraconductivité modifiée par le vide peut révéler des informations qualitativement nouvelles sur l'interaction des champs du vide et de la matière, ", déclare le professeur Lange. Les expériences futures pourraient non seulement aborder la nature des fluctuations du vide, mais offrent en plus 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.