Fény a semmiből: Oxfordi áttörés a kvantumfizikában

Az Oxfordi Egyetem fizikusai történelmi jelentőségű eredményt értek el: sikerült valós idejű, háromdimenziós szimulációkat készíteniük egy k...

Az Oxfordi Egyetem fizikusai történelmi jelentőségű eredményt értek el: sikerült valós idejű, háromdimenziós szimulációkat készíteniük egy különös jelenségről, amelynek során három nagy energiájú lézer üres vákuumban metszve egy negyedik lézerfényt hoz létre, látszólag a teljes sötétségből.

Ez a kvantumfizikai jelenség, amelyet vákuum négysugaras keverésnek (vacuum four-wave mixing) neveznek, eddig csupán elméleti szinten létezett, de a mostani szimulációk először mutatják meg annak valós háromdimenziós lefolyását az előrejelzett vákuumkörülmények között.

Az eredmények nemcsak elméleti áttörést jelentenek, hanem kísérleti úton is segíthetik olyan hipotetikus részecskék, mint például az axionok vagy millitöltésű részecskék keresését, amelyek a sötét anyag lehetséges alkotóelemei. (1)

A kvantumvákuum titkai

A fizikusok korábban úgy gondolták, hogy a kvantumvákuum üres állapot. A modern kvantumfizika azonban azt állítja, hogy a vákuum valójában virtuális elektron-pozitron párokkal van tele, amelyek létezése és viselkedése rendkívül különleges körülmények között megfigyelhető.

2022-ben a tudósok már demonstráltak egy ehhez hasonló jelenséget, amikor részecske-antirészecske párokat hoztak létre ott, ahol korábban semmi sem létezett. Az elmélet szerint, ha megfelelő körülményeket teremtenek, ezek az elektron-pozitron párok polarizálódhatnak, aminek következtében a fotonok - a fény részecskéi - egymással ütközhetnek, és foton-foton szórási kaszkádokat indíthatnak el. Ez a folyamat vezethet a "fény a sötétségből" jelenséghez, vagyis új fényforrás létrejöttéhez a vákuumban.

Az Oxfordi Egyetem kutatócsoportja, együttműködve a lisszaboni Instituto Superior Técnico-val, három virtuális, nagy energiájú lézersugarat tervezett, hogy szimulálja a vákuum négysugaras keveréshez szükséges feltételeket. Az elmélet szerint három nagy teljesítményű lézerimpulzus elektromágneses mezejének pontos metszéspontja elegendő energiát biztosít ahhoz, hogy a foton-foton szórási kaszkád létrejöjjön, és fény keletkezzen a vákuumból.

A szimulációkat az OSIRIS szimulációs szoftver fejlett változatával végezték, amelyet kifejezetten lézersugarak és anyag vagy plazma közötti komplex kölcsönhatások modellezésére fejlesztettek ki. Az eredmények pontosan egyeztek az elméleti előrejelzésekkel, megerősítve a kvantumfizika által megjósolt különös jelenséget.

A szimulációk jelentősége

"Ez nem csupán tudományos kuriózum, hanem jelentős lépés a kvantumhatások kísérleti megerősítése felé, amelyek eddig többnyire elméleti síkon léteztek," - mondta Peter Norreys professzor, az Oxfordi Egyetem Fizika Tanszékének munkatársa és a kutatás társszerzője. A szimulációk részletes betekintést nyújtanak a kvantumvákuum kölcsönhatásaiba, amelyeket korábban nem lehetett ilyen pontosan vizsgálni.

Zixin Zhang, a kutatás vezető szerzője és az Oxfordi Egyetem doktorandusza kiemelte: "A háromsugaras szórási kísérlet modellezésével sikerült rögzítenünk a kvantumjelenségek teljes skáláját, valamint részletes információkat nyertünk a kölcsönhatási régióról és a kulcsfontosságú időskálákról. Számítógépes programunk valós idejű, háromdimenziós ablakot nyit a kvantumvákuum kölcsönhatásaira."

A kutatók szerint a szimulációk számos új betekintést nyújtanak a jelenségbe, például azt, hogy a lézerimpulzusok időzítésének változtatása hogyan befolyásolja az eredményt. Ezek az adatok kritikus fontosságúak lesznek a valós kísérletek tervezéséhez, beleértve a lézerformák és időzítések pontos meghatározását.

A jövő kísérleti lehetőségei

Bár az oxfordi csapat tovább dolgozik a szimulációk finomításán, a "fény a sötétségből" jelenség kísérleti bizonyítása már nem tűnik távoli célnak. Az új generációs, ultranagy teljesítményű lézerberendezések, mint például az európai Extreme Light Infrastructure (ELI) projekt, az Egyesült Királyság Vulcan 20-20 lézere, valamint Kína Station for Extreme Light (SEL) és SHINE létesítményei, elegendő energiával rendelkezhetnek a foton-foton szórás elméletének igazolásához. Az amerikai Rochesteri Egyetem OPAL lézerberendezése is a jelenség vizsgálatát tűzte ki egyik kiemelt céljául.

Luis Silva professzor, az Instituto Superior Técnico munkatársa és az Oxfordi Egyetem vendégprofesszora szerint ezek az új lézerlétesítmények nagyban profitálhatnak a csapat szimulációs eredményeiből. "Az OSIRIS-ben megvalósított új számítási módszerünk jelentősen segíti a legfejlettebb lézerlétesítményekben tervezett kísérleteket. Az ultra-intenzív lézerek, a korszerű detekciós technikák, valamint az analitikus és numerikus modellezés kombinációja új korszakot nyit a lézer-anyag kölcsönhatások terén, amely új távlatokat kínál az alapvető fizikai kutatások számára," - mondta Silva.

A kutatás jelentősége

Ez az áttörés nem csupán a kvantumfizika elméleti megértését mélyíti, hanem gyakorlati alkalmazások előtt is utat nyithat. A szimulációk segíthetnek a sötét anyag természetének megértésében, mivel az axionok és millitöltésű részecskék, amelyeket a jelenség vizsgálata célzott, kulcsfontosságúak lehetnek a világegyetem rejtélyes komponenseinek azonosításában. Emellett a kutatás új lehetőségeket kínál a lézertechnológia fejlesztésében, például egzotikus lézerszerkezetek vagy mozgó fókuszú impulzusok alkalmazásában.

Az Oxfordi Egyetem és partnerei által elért eredmények a kvantumfizika és a lézertechnológia határait feszegetik, és közelebb visznek minket a kvantumvákuum titkainak megértéséhez. A "fény a sötétségből" jelenség nemcsak a tudományos kíváncsiságot elégíti ki, hanem a jövőben forradalmi felfedezések alapjául szolgálhat. (2)

(1) - https://www.nature.com/articles/
(2) - https://www.physics.ox.ac.uk/ne