Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Verkehrsstau im Nichts

19.01.2017

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof. Dr. Alfred Leitenstorfer kann das elektrische Vakuumfeld manipulieren und somit Abweichungen vom Grundzustand des leeren Raumes hervorrufen, die nur im Rahmen der Quantentheorie des Lichts verstanden werden können.


Schematische Darstellung der raum-zeitlichen Abweichungen vom Niveau der nackten Vakuum-Fluktuationen des elektrischen Feldes, welche durch Deformation der Raumzeit erzeugt und in der Zeitdomäne abgetastet werden. Die farbige Hyperfläche kombiniert eine longitudinale Zeitspur (rote Linie) mit der transversalen Modenfunktion.

Damit liefern die Forscher aus dem Bereich der Ultrakurzzeitphysik und Photonik einen weiteren Beweis für die Korrektheit ihrer ersten Ergebnisse, die bereits im Oktober 2015 im Wissenschaftsjournal „Science“ veröffentlicht wurden: Die direkte Vermessbarkeit des Nichts. Mit diesem grundlegenden wissenschaftlichen Fortschritt sind entscheidende Beiträge zu lang ausstehenden Problemlösungen denkbar.

Diese erstrecken sich über einen breiten Bereich vom vertieften Verständnis der Quantennatur der Strahlung bis zur Erforschung attraktiver Materialeigenschaften wie zum Beispiel der Hochtemperatur-Supraleitung. Die neuen Ergebnisse sind in der aktuellen Online-Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift „Nature" vom 19. Januar 2017 nachzulesen: DOI: 10.1038/nature21024.

Möglich wurden diese fundamentalen Einblicke mit einer weltweit führenden Technologie, die im Arbeitsbereich von Alfred Leitenstorfer entwickelt wurde. Spezielle Lasersysteme erzeugen ultrakurze Lichtimpulse, die nur wenige Femtosekunden lang sind und damit kürzer als eine halbe Lichtschwingung im abgetasteten Spektralbereich. Eine Femtosekunde entspricht dem Millionstel einer Milliardstel Sekunde.

Die extreme Empfindlichkeit der Methode erlaubt es, elektromagnetische Fluktuationen selbst in Abwesenheit von Intensität aufzuspüren, also in vollkommener Dunkelheit. Die Existenz dieser „Vakuum-Fluktuationen“ folgt theoretisch aus der Heisenbergschen Unschärferelation. Alfred Leitenstorfer und sein Team konnten sie erstmals direkt nachweisen – und zwar im mittleren infraroten Frequenzbereich, wo selbst die konventionellen Zugänge zur Quantenphysik bislang nicht funktionieren.

Die Experimente sind vom Grundkonzept her neuartig: Anstatt der bisher üblichen sogenannten Frequenzdomänen-Ansätze nutzen die Konstanzer Physiker einen Zugang, der direkt in der Zeitdomäne arbeitet. Anstelle der Analyse von Licht in einem schmalen Frequenzband werden hier zu einem bestimmten Zeitpunkt elektrische Feldamplituden gemessen. Untersucht man verschiedene Punkte in der Zeit, so ergeben sich charakteristische Rauschmuster, die eine detaillierte Aussage über den dort vorliegenden Quantenzustand des Lichts erlauben. Indem sich der Messimpuls mit dem zu untersuchenden Quantenfeld gemeinsam bei Lichtgeschwindigkeit durch den Raum ausbreitet, können die Konstanzer Physiker quasi die Zeit anhalten. Letztlich verhalten sich Raum und Zeit, also die „Raumzeit“, in diesen Experimenten vollkommen äquivalent – ein Hinweis auf die inhärent relativistische Natur elektromagnetischer Strahlung.

Weil der neue Zugang die zu messenden Photonen weder absorbieren noch verstärken muss, ist es möglich, das elektromagnetische Grundrauschen des Vakuums und somit auch die von den Experimentatoren herbeigeführten Abweichungen von diesem Grundzustand direkt zu detektieren. „Wir können den Quantenzustand analysieren, ohne dass wir ihn in erster Näherung verändern“, stellt Alfred Leitenstorfer fest. Die Quantenmessungen beruhen nicht zuletzt auf der hohen Stabilität der Konstanzer Technologie, bei der das Eigenrauschen der ultrakurzen Laserimpulse extrem gering ist.

Für die Manipulation des Vakuumfeldes nutzen die Forscher eine neue Strategie zur Herstellung „gequetschen Lichts“, englisch „squeezed light“. Mit einem intensiven Impuls des Femtosekundenlasers wird die Lichtgeschwindigkeit in einem bestimmten Bereich der Raumzeit gezielt verändert. Durch diese lokale Modulation der Ausbreitungsgeschwindigkeit wird das Vakuumfeld „gequetscht“, was gleichbedeutend ist mit einer Umverteilung der Vakuum-Fluktuationen. Alfred Leitenstorfer vergleicht das quantenphysikalische Geschehen anschaulich mit einem Verkehrsstau auf der Autobahn: Ab einem bestimmten Punkt fahren Autos langsamer. In der Folge wird sich dahinter der Verkehr anstauen, davor wird er weniger werden. Das heißt: Werden die Fluktuationsamplituden an einem Ort geringer, werden sie an anderer Stelle mehr.

Während bei zeitlich ansteigender Lichtgeschwindigkeit die Fluktuationsamplituden eine positive Abweichung vom Vakuum-Rauschen aufweisen, kommt es bei ihrer Verzögerung zu einem erstaunlichen Phänomen: Das gemessene Rauschniveau ist geringer als im Vakuum-Zustand – geringer als im absoluten Nichts. Mit den bisher bekannten Methoden wäre eine solche direkte Messung nicht möglich, da sie bei der Analyse entweder die Photonen absorbieren, den Quantenzustand somit zerstören, oder ihn verstärken müssten, um überhaupt Signale zu erhalten.

Das einfache Bild mit dem Verkehrsaufkommen auf einer Autobahn stößt allerdings sehr schnell an seine Grenzen: Im Gegensatz zur Situation auf der Autobahn, wo es immer bei derselben Anzahl an Autos bleibt, verändern sich die Rauschamplituden mit zunehmender Stärke der Beschleunigung und Abbremsung der Raumzeit auf ganz andere Weise. Ist das Rauschmuster bei geringer „Quetschung“ noch einigermaßen symmetrisch um das Vakuum-Niveau herum verteilt, ergibt sich bei zunehmender Stärke eine Abnahme, die zwangsläufig gegen Null hin sättigt. Im Gegensatz dazu steigt das wenige Femtosekunden später angehäufte Überschussrauschen nichtlinear an – eine direkte Konsequenz aus dem Produktcharakter der Unschärferelation. Dieses Phänomen ist gleichzusetzen mit der Erzeugung eines hoch nichtklassischen Zustandes des Lichtfeldes, bei dem beispielsweise immer zwei Photonen gleichzeitig im selben Volumen von Raum und Zeit auftreten.

Das Konstanzer Experiment wirft viele neue Fragen auf und verspricht spannende Studien auch für die Zukunft. Als nächstes wollen die Physiker die Grenzen des anscheinend nicht-destruktiven Charakters der Methode verstehen. An sich sollte jede experimentelle Analyse eines Quantensystems dieses verändern. Möglicherweise liegt der Schlüssel zu diesem Kontext in der Tatsache begründet, dass derzeit noch viele Einzelmessungen gemacht werden müssen, um eine Aussage zu erhalten: 20 Millionen Wiederholungen in der Sekunde. Ob es sich dabei um eine sogenannte „schwache Messung“ nach konventioneller Sprechweise der Quantentheorie handelt, können die Physiker noch nicht mit Bestimmtheit sagen.

Der neue experimentelle Zugang zur Quantenelektrodynamik stellt erst die dritte Methode überhaupt dar für das Studium des Quantenzustands von Licht. Grundsätzliche Fragen stellen sich: Was genau ist der Quantencharakter des Lichts? Was ist eigentlich ein „Photon“? So viel steht für die Konstanzer Physiker fest: Auf jeden Fall kein quantisiertes Energiepaket, sondern eher ein Maß für die lokale Quantenstatistik in der Raumzeit.

Originalpublikation:
C. Riek, P. Sulzer, M. Seeger, A.S. Moskalenko, G. Burkard, D.V. Seletskiy, A. Leitenstorfer: „Subcycle Quantum Electrodynamics“. Nature, Advance online publication. DOI: 10.1038/nature21024

Faktenübersicht:
• Förderung im Rahmen eines ERC Advanced Grant
• Kooperation unter dem Dach des Center for Applied Photonics (CAP) und des SFB 767

Hinweis an die Redaktionen:
Fotos können im Folgenden heruntergeladen werden:

Abbildung 1:
https://cms.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2017/Leitenstorfer/Leitensto...
Bildunterschrift:
Das Team der Physiker in ihrem Laserlabor (von links nach rechts): Philipp Sulzer, Dr. Andrey Moskalenko, Dr. Denis Seletskiy, Maximilian Seeger, Dr. Claudius Riek, Prof. Dr. Alfred Leitenstorfer und Prof. Dr. Guido Burkard.

Abbildung 2:
https://cms.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2017/Leitenstorfer/Leitensto...
Bildunterschrift:
Detailansicht des Experiments zur Subzyklen-Quantenelektrodynamik. Rechts ist zwischen zwei Parabolspiegeln der dunkelrote Emitterkristall aus Galliumselenid zu sehen, in dem ein ultrakurzer Lichtimpuls eine lokale Änderung der Lichtgeschwindigkeit hervorruft und damit das Quanten-Vakuum quetscht. Nach links schließen sich ein Galliumantimonid-Filter und ein Siliziumspiegel an, mit dem die Abtastimpulse eingekoppelt werden. Ganz links befindet sich schließlich der gelbliche Silberthiogallat-Kristall zur Detektion der erzeugten Abweichungen vom Vakuum-Rauschen. Der hintere Parabolspiegel fokussiert sowohl den Abtaststrahl als auch die gequetschten Vakuumfelder in den Detektorkristall. Der vordere Parabolspiegel dient der Kollimation des Abtaststrahls, dessen Polarisationszustand nun Informationen über die Quantenfluktuationen des elektrischen Feldes im abgetasteten Raumzeit-Segment trägt.

Abbildung 3:
https://cms.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2017/Leitenstorfer/Leitensto...
Bildunterschrift:
Schematische Darstellung der raum-zeitlichen Abweichungen vom Niveau der nackten Vakuum-Fluktuationen des elektrischen Feldes, welche durch Deformation der Raumzeit erzeugt und in der Zeitdomäne abgetastet werden. Die farbige Hyperfläche kombiniert eine longitudinale Zeitspur (rote Linie) mit der transversalen Modenfunktion.

Kontakt:
Universität Konstanz
Kommunikation und Marketing
Telefon: + 49 7531 88-3603
E-Mail: kum@uni-konstanz.de

Julia Wandt | Universität Konstanz
Weitere Informationen:
http://www.uni-konstanz.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Rätselhaftes IceCube-Ereignis könnte von Tau-Neutrino stammen
19.06.2018 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Ein neues Experiment zum Verständnis der Dunklen Materie
14.06.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Überdosis Calcium

Nanokristalle beeinflussen die Differenzierung von Stammzellen während der Knochenbildung

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Freiburg und Basel haben einen Hauptschalter für die Regeneration von Knochengewebe identifiziert....

Im Focus: Overdosing on Calcium

Nano crystals impact stem cell fate during bone formation

Scientists from the University of Freiburg and the University of Basel identified a master regulator for bone regeneration. Prasad Shastri, Professor of...

Im Focus: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Hengstberger-Symposium zur Sternentstehung

19.06.2018 | Veranstaltungen

LymphomKompetenz KOMPAKT: Neues vom EHA2018

19.06.2018 | Veranstaltungen

Simulierter Eingriff am virtuellen Herzen

18.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Rätselhaftes IceCube-Ereignis könnte von Tau-Neutrino stammen

19.06.2018 | Physik Astronomie

Automatisierung und Produktionstechnik – Wandlungsfähig – Präzise – Digital

19.06.2018 | Messenachrichten

Überdosis Calcium

19.06.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics