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Representação artística da função de onda do elétron (cores vermelho e amarelo) revestida por uma folha de fótons virtuais (azul). A desativação extremamente rápida das tiras de acoplamento retira esses fótons dos elétrons, revelando propriedades que de outra forma seriam inacessíveis do estado quântico acoplado à luz forte e forte. Crédito: J. Mornhinweg (2020).
Uma equipe de pesquisa internacional da Alemanha e da França criou estruturas nas quais os campos de luz interagem com os elétrons tão fortemente que o próprio vácuo quântico é significativamente alterado. Usando rajadas de luz extremamente curtas, eles interromperam esse acoplamento muito mais rápido do que a escala de tempo de uma flutuação de vácuo e observaram um zumbido intrigante do campo eletromagnético emitido, indicando o colapso do estado de vácuo. Sua principal conquista poderia melhorar nossa compreensão da natureza do nada - o vácuo do próprio espaço, abrindo caminho para a fotônica explorando as flutuações do vácuo. Os resultados são publicados na edição atual da Nature Photonics .
Um dos principais insights da mecânica quântica é que o nada absoluto, um conceito já discutido pelos filósofos gregos, está longe de ser encontrado na realidade. Muito pelo contrário, a teoria quântica de camposmostrou que o espaço aparentemente vazio é preenchido por flutuações de campos de luz e matéria, levando a um contínuo surgimento e desaparecimento de fótons e também de partículas massivas. Nos dias da fundação da mecânica quântica, essas consequências do princípio da incerteza de Heisenberg muitas vezes não eram levadas muito a sério. No entanto, a física moderna está descobrindo cada vez mais como nosso universo é moldado por flutuações de campos físicos, que não só levam a pequenas mudanças nas linhas espectrais dos átomos, mas, além disso, podem causar a evaporação de buracos negros e, em última análise, são responsáveis pela grande escala estrutura do nosso universo, formada durante o período inflacionário após o big bang. No entanto, controlar essas flutuações em escala de laboratório com a precisão temporal relevante tem permanecido extremamente desafiador até hoje.
Pesquisadores em torno do Prof. Dr. Christoph Lange, Prof. Dr. Dominique Bougeard e Prof. Dr. Rupert Huber (Departamento de Física, Universidade de Regensburg), bem como o Prof. Dr. Cristiano Ciuti (Université de Paris), já fizeram um grande salto em direção ao controle de flutuações de vácuo fortemente aprimoradas muito mais rápido do que as escalas de tempo típicas de fótons virtuais. Para esse fim, eles criaram uma estrutura semicondutora especializada na qual os elétrons são extremamente fortemente acoplados aos campos de luz de minúsculas antenas projetadas para a chamada faixa espectral terahertz.
Como resultado, as flutuações de vácuo dos campos de luz e matéria participam da interação, aumentando fortemente a presença de fótons virtuais - mesmo na escuridão completa. "O principal passo adiante foi implementar a funcionalidade para desligar esse acoplamento extremamente rápido", Ph.D. a estudante Maike Halbhuber explica.
"Ficamos satisfeitos porque os primeiros dados mostraram que o desligamento funcionou perfeitamente. Mas ficamos entusiasmados quando experimentos avançados mostraram uma oscilação inesperada e intrigante do campo de luz durante a comutação", Ph.D. o estudante Joshua Mornhinweg acrescenta. Analisando esse zumbido do vácuo quântico em colapso por uma teoria de corte personalizado, os pesquisadores mostraram que a mudança ocorre em apenas um décimo de um trilionésimo de segundo - mais de dez vezes mais rápido do que um ciclo de oscilação de um fóton virtual.
As principais conquistas dos estados de vácuo quântico personalizados com populações de fótons virtuais e controle de subciclos de fracas flutuações de ponto zero oferecem um nível sem precedentes de flexibilidade para investigações futuras. Como uma próxima etapa imediata, a equipe irá procurar evidências diretas de fótons virtuais emergentes durante a troca do vácuo quântico projetado. No entanto, é muito provável que o escopo dessa ideia de pesquisa se expanda muito mais.
"Implementar o controle de subciclos de campos de vácuo para conceitos existentes, como química quântica de cavidade, transporte controlado por cavidade ou supercondutividade modificada por vácuo pode desvendar informações qualitativamente novas sobre a interação de campos de vácuo e matéria", diz o Prof. Lange. Os experimentos futuros podem não apenas abordar a natureza das flutuações de vácuo , mas, além disso, oferecer a possibilidade de controlar reações químicas ou correntes supercondutoras, simplesmente mudando o campo de vácuo nas escalas de tempo relevantes mais curtas.
Fornecido pela University of Regensburg
Fonte: Phys News / pela Universidade de Regensburg / 10-08-2020
https://phys.org/news/2020-08-vacuum-fluctuations-space.html
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HélioR.M.Cabral (Economista,
Escritor e Divulgador de conteúdos da
Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).Participou do curso de
Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina
(UFSC).
Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas”.
Membro da Society for
Science and the Public (SSP) e assinante de conteúdos científicos da NASA
(National Aeronautics and Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa
do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (Clouds and Earth´sRadiant Energy System) administrado pela NASA.A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica
Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA
Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric
Administration (NOAA) e U.S Department of State.
e-mail: heliocabral@coseno.com.br
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