In einer bahnbrechenden Entwicklung haben Forscher der Universitäten Oxford und Lissabon in drei Dimensionen und in Echtzeit simuliert, wie das Quantenvakuum Licht erzeugen kann. Diese in Communications Physics veröffentlichte Entdeckung markiert einen bedeutenden Schritt zum Verständnis der grundlegenden Natur von Raum und Energie.
Die Arbeit des Teams konzentriert sich auf die Wechselwirkung von vier Wellen im Quantenvakuum. Konkret zeigten sie, dass unter bestimmten Bedingungen drei Laserstrahlen eine vierte elektromagnetische Welle erzeugen können, wodurch effektiv Licht aus dem scheinbar leeren Raum erzeugt wird. Dieses theoretisch vorhergesagte Phänomen wurde nun rechnerisch mit beispielloser Auflösung modelliert.
Die Simulation, die eine erweiterte Version des OSIRIS-Codes verwendet, integriert nichtlineare Gleichungen, die vom Heisenberg-Euler-Lagrange abgeleitet wurden. Dies ermöglicht es den Forschern, das Verhalten von elektrischen und magnetischen Feldern unter extremen Bedingungen zu modellieren. Die Simulation berechnet nicht nur das Endergebnis, sondern ermöglicht auch eine schrittweise Beobachtung der Lichtpulserzeugung in Echtzeit.
Im Gegensatz zu früheren Modellen integriert diese Simulation realistische Laserprofile, einschließlich Breite, Dauer und Einfallswinkel. Dieser detaillierte Ansatz bietet eine Grundlage für die Vorbereitung realer Experimente in Einrichtungen wie der Extreme Light Infrastructure (ELI) in Europa und dem Vulcan 20-20-Projekt in Großbritannien. Der erzeugte Impuls breitet sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus, was sein Verhalten als Photon bestätigt.
Diese Forschung könnte auch bei der Suche nach hypothetischen Teilchen wie Axionen helfen, die potenzielle Bestandteile dunkler Materie sind. Die Fähigkeit, Effekte im Quantenvakuum auszulösen, eröffnet neue Wege zur Erforschung von Gebieten jenseits der traditionellen Teilchenphysik. Die Simulation liefert wertvolle Daten für das experimentelle Design, einschließlich der genauen Dauer, der Ankunftszeit und der maximalen Intensität des erzeugten Impulses.
Dieser Fortschritt erfolgt zu einer Zeit, in der eine neue Generation ultra-intensiver Laser in Betrieb genommen wird. Einrichtungen wie ELI, SEL in China und das OPAL-System in den Vereinigten Staaten werden bald die Leistung haben, die simulierten Bedingungen zu reproduzieren. Dies markiert einen Wandel von blinden Experimenten zu einem Fahrplan, der anzeigt, wie, wann und wo Licht aus dem Vakuum entstehen kann.
Diese Arbeit unterstreicht die Idee, dass das Vakuum nicht nur eine Kulisse, sondern ein dynamischer Akteur mit eigenen Eigenschaften ist. Die Fähigkeit, Licht aus dem Vakuum nur mit Licht zu erzeugen, zwingt uns, grundlegende Konzepte von Energie, Materie und Raum zu überdenken, was einen Schritt in Richtung einer neuen experimentellen Physik des Unsichtbaren darstellt.