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jueves, 19 de enero de 2017

Estudio del vacío cuántico mediante la electrodinámica

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Se ha llevado a cabo un paso importante hacia un acceso experimental a la física cuántica completamente nuevo en la Universidad de Konstanz. El equipo de científicos dirigido por el profesor Alfred Leitenstorfer ha demostrado ahora cómo manipular un campo eléctrico del vacío y, de esta manera, generar desviaciones del estado fundamental del espacio vacío, el cual sólo puede entenderse en el contexto de la teoría cuántica de la luz.

Con estos resultados, los investigadores del campo de los fenómenos ultrarrápidos y la fotónica se basan en sus hallazgos anteriores, publicados en octubre de 2015, en la revista científica Science, donde dejaron demostrado la detección directa de señales de la pura nada. Este progreso científico esencial podría permitir resolver problemas con los que se han topado los físicos durante mucho tiempo, desde la comprensión más profunda de la naturaleza cuántica de la radiación hasta la investigación sobre atractivas propiedades materiales como la superconductividad en altas temperaturas. Los nuevos resultados se publican el 19 de enero de 2017 en el número actual del journal científico Nature.
Una técnica de medición óptica líder en el mundo, desarrollada por el equipo de Alfred Leitenstorfer, hizo posible esta visión fundamental. Se trata de un sistema láser especial que genera impulsos de luz ultracortos, durante sólo unos pocos femtosegundos, por tanto, más cortos que la mitad de un ciclo de luz en el rango espectral investigado.

 Un femtosegundo corresponde a la millonésima parte de una milmillonésima de segundo. La extrema sensibilidad del método permite la detección de fluctuaciones electromagnéticas incluso en ausencia de intensidad, es decir, en completa oscuridad. Teóricamente, la existencia de estas "fluctuaciones del vacío" se sigue del principio de incertidumbre de Heisenberg. Alfred Leitenstorfer y su equipo, lograron observar directamente estas fluctuaciones por primera vez y en la gama de frecuencias del infrarrojo medio, donde los enfoques convencionales previos de la física cuántica no han funcionado.

La novedad conceptual de los experimentos es que, en lugar de las técnicas de dominio usuales utilizadas hasta ahora, los físicos de Konstanz accedieron a estadísticas cuánticas de luz directamente en el dominio del tiempo. En un punto elegido de tiempo, las amplitudes del campo eléctrico se miden directamente en lugar de analizar la luz en una banda de frecuencia estrecha. El estudio de diferentes puntos en el tiempo dan como resultado patrones de ruido característicos que permiten conclusiones detalladas sobre el estado cuántico temporal de la luz. A medida que el pulso láser se propaga, junto con el campo cuántico estudiado, los físicos de Konstanz pueden, por así decirlo, detener el tiempo. En última instancia, el "espacio-tiempo", se comportan de manera absolutamente equivalente en estos experimentos, una indicación de la naturaleza inherentemente relativista de la radiación electromagnética.

Como la nueva técnica de medición no hay que absorber los fotones para medirlos ni amplificarlos, haciendo posible detectar directamente el ruido de fondo electromagnético del vacío y, por tanto, las desviaciones controladas de este estado fundamental, creadas por los investigadores. "Podemos analizar los estados cuánticos en una primera aproximación sin cambiarlos", señala Alfred Leitenstorfer. La alta estabilidad de la tecnología de Konstanz es un factor importante para las mediciones cuánticas, ya que el ruido de fondo de sus pulsos láser ultracortos es extremadamente bajo.

Mediante la manipulación del vacío con pulsos de femtosegundos fuertemente enfocados, los investigadores desarrollan una nueva estrategia de generar "luz comprimida", un estado no clásico de un campo de radiación. La velocidad de la luz en un cierto segmento del espacio-tiempo se cambia deliberadamente con un pulso intenso del láser femtosegundo. Esta modulación local de la velocidad de propagación "comprime" el campo de vacío, lo que equivale a una redistribución de las fluctuaciones del vacío. Alfred Leitenstorfer compara gráficamente este mecanismo de la física cuántica con un atasco de tráfico en la autopista: a partir de cierto punto, algunos coches van más despacio. Como resultado, la congestión del tráfico se establece detrás de estos coches, mientras que la densidad de tráfico disminuirá delante de ese punto. Esto significa que cuando las amplitudes de fluctuación decrecen en un lugar, aumentan en otro.

Mientras que las amplitudes de fluctuación se desvían positivamente desde el ruido del vacío en una temporal velocidad de luz, la ralentización da lugar a un fenómeno asombroso: el nivel de ruido medido es menor que en el estado de vacío, o sea, el estado fundamental del espacio vacío.

Sin embargo, la mera ilustración del tráfico en una autopista alcanza rápidamente sus límites: en contraste con esa imagen de la "física clásica", donde el número de coches permanece constante, las amplitudes del ruido cambian completamente de forma diferente con el aumento de la aceleración y la desaceleración del espacio-tiempo. En el caso de una "compresión" moderada, el patrón de ruido se distribuye alrededor del nivel de vacío bastante simétricamente. Con una intensidad creciente, sin embargo, la disminución inevitable se satura hacia cero. El exceso de ruido se acumula unos pocos femtosegundos más tarde, en contraste, aumentando de forma no lineal (una consecuencia directa del carácter del Principio de Incertidumbre como un producto algebraico). Este fenómeno se puede equiparar con la generación de un estado altamente no clásico del campo de la luz, en el que, por ejemplo, siempre hay dos fotones emergiendo simultáneamente en el mismo volumen de espacio y tiempo.

El experimento llevado a cabo en Konstanz plantea nuevas y numerosas preguntas y promete interesantes estudios por venir. Posteriormente, los físicos buscan comprender los límites fundamentales de su sensitivo método de detección que deja al estado cuántico aparentemente intacto. En principio, todo análisis experimental de un sistema cuántico finalmente perturbaría su estado. Actualmente, todavía se necesita un gran número de mediciones individuales para obtener un resultado: 20 millones de repeticiones por segundo. Los físicos todavía no pueden decir con certeza si se trata de la llamada "medición débil" en términos convencionales de la teoría cuántica.

El nuevo enfoque experimental de la electrodinámica cuántica es tan sólo el tercer método para estudiar el estado cuántico de la luz. Ahora surgen preguntas fundamentales: ¿Qué es, exactamente, el carácter cuántico de la luz? ¿Qué es realmente un fotón? En cuanto a la última pregunta, los físicos del equipo de Konstanz parecen tenerlo claro: en lugar de un paquete de energía cuantificado, más bien se trata de una medida de la estadística cuántica local de los campos electromagnéticos en el espacio-tiempo.


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Traducido por Pedro Donaire
Imagen: Un esbozo esquemático de las desviaciones espacio-temporales del nivel de las fluctuaciones del vacío en el campo eléctrico que, según los científicos, son generadas por la deformación espacio-tiempo y muestreadas en el dominio del tiempo. La hiper-superficie codificada en colores combina un trazo de tiempo longitudinal (línea roja) con la función de modo transversal. Crédito: University of Konstanz ---------
Ref. Science Daily.com, 18 enero 2017, "Traffic jam in empty space"
- Publicación Nature: C. Riek, P. Sulzer, M. Seeger, A. S. Moskalenko, G. Burkard, D. V. Seletskiy, A. Leitenstorfer. Subcycle quantum electrodynamics. Nature, 2017; 541 (7637): 376 DOI: 10.1038/nature21024
- Publicación Science: C. Riek, D. V. Seletskiy, A. S. Moskalenko, J. F. Schmidt, P. Krauspe, S. Eckart, S. Eggert, G. Burkard, A. Leitenstorfer. Direct sampling of electric-field vacuum fluctuations. Science, 2015; 350 (6259): 420 DOI: 10.1126/science.aac9788
Fuente: University of Konstanz.

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