Fluktuationen im Nichts

Die Leere ist nicht wirklich leer ¨C jedenfalls nicht nach den Gesetzen der Quantenphysik. Im Vakuum, in dem sich nach klassischer Vorstellung buchst?blich ?nichts? befindet, wimmelt es der Quantenmechanik zufolge von so genannten Vakuum-Fluktuationen. Das sind kleine Ausschl?ge zum Beispiel eines elektromagnetischen Felds, die zwar ¨¹ber die Zeit gemittelt Null ergeben, f¨¹r einen kurzen Moment aber davon abweichen k?nnen. J¨¦r?me Faist, Professor am Institut f¨¹r Quantenelektronik der ETH Z¨¹rich, und seinen Mitarbeitern ist es nun gelungen, diese Vakuum-Fluktuationen erstmals direkt zu charakterisieren.

?Die Vakuum-Fluktuationen des elektromagnetischen Felds haben zwar deutlich sichtbare Folgen und f¨¹hren unter anderem dazu, dass ein Atom spontan Licht aussenden kann?, erkl?rt Ileana-Cristina Benea-Chelmus, mittlerweile promovierte Doktorandin in Faists Labor und Erstautorin der soeben im Fachjournal Nature erschienenen Arbeit. ?Sie direkt zu messen erscheint allerdings zun?chst unm?glich. Herk?mmliche Detektoren zum Beispiel f¨¹r Licht, wie etwa Photodioden, basieren darauf, dass Lichtteilchen ¨C und damit Energie ¨C vom Detektor absorbiert werden. Aus dem Vakuum aber, das den niedrigsten Energiezustand eines physikalischen Systems darstellt, kann keine Energie mehr entnommen werden.?

Elektro-optischer Nachweis

Faist und seine Kollegen entschieden sich daher f¨¹r eine direkte Messung des elektrischen Feldes der Fluktuationen. Dazu benutzten sie einen Detektor, der auf dem sogenannten elektro-optischen Effekt basiert. Dieser Detektor besteht aus einem Kristall, in dem die Polarisierung (also Schwingungsrichtung) von Lichtwellen durch ein elektrisches Feld gedreht werden kann ¨C zum Beispiel durch das elektrische Feld der Vakuum-Fluktuationen. Auf diese Weise hinterl?sst dieses elektrische Feld eine sichtbare Spur in Form der ge?nderten Polarisierungsrichtung der Lichtwellen. Zwei sehr kurze Laserpulse (einen Bruchteil einer Billionstel Sekunde lang) werden nun leicht zeitversetzt durch zwei verschiedene Punkte des Kristalls geschickt, und anschliessend werden ihre Polarisierungen gemessen. Aus diesen Messungen k?nnen schliesslich die zeitlichen und r?umlichen Korrelationen zwischen den augenblicklich im Kristall bestehenden elektrischen Feldern berechnet werden.

Winzige Signale

Um sicherzugehen, dass die so gemessenen elektrischen Felder tats?chlich von Vakuum-Fluktuationen herr¨¹hren und nicht etwa von der thermischen Schwarzk?rperstrahlung, k¨¹hlten die Forscher die gesamte Messapparatur auf minus 269 Grad Celsius ab. Bei diesen niedrigen Temperaturen befinden sich praktisch keine Photonen der W?rmestrahlung mehr im Apparat, so dass die ¨¹brigbleibenden Fluktuationen des elektrischen Felds aus dem Vakuum kommen m¨¹ssen. ?Trotzdem ist das gemessene Signal wirklich winzig?, r?umt ETH-Professor Faist ein, ?und wir mussten unsere experimentellen F?higkeiten der Messung kleinster Felder schon bis zum ?ussersten ausreizen.? Eine weitere Herausforderung sei, dass die Frequenzen der mit Hilfe des elektro-optischen Detektors gemessenen elektromagnetischen Fluktuationen im Terahertz-Bereich liegen, also bei einigen Billionen Schwingungen pro Sekunde. In ihrem Experiment schafften es die ETH-Wissenschaftler trotzdem, Quantenfelder mit einer Aufl?sung zu messen, die r?umlich und zeitlich weniger als eine Schwingungsperiode des Lichts betr?gt.

Messungen exotischer Vakuum-Fluktuationen

Die Forscher hoffen, mit ihrer Methode in Zukunft sogar noch exotischere F?lle von Vakuum-Fluktuationen untersuchen zu k?nnen. Bei starken Wechselwirkungen zwischen Photonen und Materie, wie man sie etwa in optischen Resonatoren erzeugen kann, sollte das Vakuum theoretischen Berechnungen zufolge von einer Vielzahl sogenannter virtueller Photonen bev?lkert sein. Mit der von Faist und seinen Mitarbeitern entwickelten Methode sollte es m?glich sein, diese theoretischen Vorhersagen zu ¨¹berpr¨¹fen.