Měření elektrických polí fluktuací vakua. Kredit: ETH Zürich.

Supermasivní černé díry, jak se zdá, fascinují celý svět. Pro astrofyziky je to velké zadostiučinění a plným právem. Kvantoví fyzici ovšem nechtějí zůstat pozadu, a tak se i oni vytasili s pozoruhodným úspěchem, který notně rozvibroval stránky legendárního Nature. Koho by ostatně neomráčilo první měření doposud neuchopitelných kvantových fluktuací v prázdnotě?

Jérôme Faist. Kredit: H. Hofstettler / ETH Zürich.

V kvantové fyzice není prázdnota, čili vakuum, prázdná. Neustále se tam zjevují kvantové fluktuace elektromagnetického pole. Doposud přitom nebylo možné zkoumat tyto fluktuace vakua přímo. Teď to ale změnil švýcarský tým z Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich), který vymyslel postup, díky němuž je možné kvantové fluktuace detailně studovat.
Fluktuace elektromagnetického pole ve vakuu mají podle badatelů zřetelně patrné důsledky. Mohou způsobit i to, že určitý atom spontánně vyzáří elektromagnetické záření. Změřit něco takového ve vakuu je ale na první pohled nemožné. Tradiční detektory záření, jako například fotodiody, jsou založené na tom, že takový detektor absorbuje fotony a tudíž energii. Jenomže z vakua, které představuje stav fyzikálního systému s nejnižší energií, už nemůže být vytažená žádná další energie.

Jérôme Faist a jeho spolupracovníci se proto rozhodli, že přímo změří elektrické pole kvantových fluktuací ve vakuu. Použili k tomu elektro-optický detektor. Ten se skládá z krystalu, v němž může elektrické pole svým působením vyvolat rotaci polarizovaného záření. Může to být i elektrické pole fluktuací vakua. Elektrické pole v takovém případě zanechá zřetelnou stopu ve tvaru světelné vlny polarizovaného záření. Během experimentu prolétly krystalem dva extrémně krátké laserové pulzy, ve dvou odlišných bodech a v mírně odlišných časech. Z měření jimi vytvořeného polarizovaného světla bylo možné odvodit elektrická pole fluktuací vakua.

Logo ETH Zürich.

Aby vědci zajistili, že budou měřit skutečně elektrická pole kvantových fluktuací vakua a nikoliv pole vzniklá z tepelného záření černého tělesa, tak celé zařízení ochladili na mínus 269 °C. Při takové teplotě v přístroji nezůstanou žádné fotony tepelného záření, takže všechny fluktuace v elektrických polích by měly pocházet z vakua. I přesto to ale bylo měření na samotné hranici možností soudobé vědy. Nesmírnou výzvou pro badatele bylo třeba to, že frekvence fluktuací v elektrických polích, které v experimentu měřili elektro-optickým detektorem, leží v terahertzové oblasti. Jinými slovy, šlo o nějakých pár miliard oscilací za sekundu.

V budoucnu by Faist a spol. rádi se svým novým postupem proměřili i více exotické případy kvantových fluktuací vakua. Například tam, kde se objevují silné interakce mezi fotony a hmotou, což bývá třeba v optickém rezonátoru. Podle teoretických výpočtů by tam totiž mělo být virtuálních fotonů, vzniklých kvantovými fluktuacemi, jako máku.

Video:  Jérôme Faist: Frequency combs enable QCL-based spectrometers


Literatura
ETH Zürich 10. 4. 2019, Nature 568: 202–206.