In een baanbrekende ontwikkeling hebben onderzoekers van de Universiteiten van Oxford en Lissabon in drie dimensies en in real-time gesimuleerd hoe het kwantumvacuüm licht kan genereren. Deze ontdekking, gepubliceerd in Communications Physics, markeert een belangrijke stap in de richting van het begrijpen van de fundamentele aard van ruimte en energie.
Het werk van het team richt zich op de interactie van vier golven in het kwantumvacuüm. Specifiek toonden ze aan dat onder specifieke omstandigheden drie laserstralen een vierde elektromagnetische golf kunnen genereren, waardoor effectief licht ontstaat uit de schijnbaar lege ruimte. Dit fenomeen, theoretisch voorspeld, is nu computationeel gemodelleerd met een ongekende resolutie.
De simulatie, die een uitgebreide versie van de OSIRIS-code gebruikt, bevat niet-lineaire vergelijkingen afgeleid van de Heisenberg-Euler-Lagrangiaan. Dit stelt de onderzoekers in staat het gedrag van elektrische en magnetische velden onder extreme omstandigheden te modelleren. De simulatie berekent niet alleen het eindresultaat, maar maakt ook een stapsgewijze observatie van de lichtpulsformatie in real-time mogelijk.
In tegenstelling tot eerdere modellen integreert deze simulatie realistische laserprofielen, inclusief breedte, duur en invalshoek. Deze gedetailleerde aanpak biedt een basis voor het voorbereiden van experimenten in de echte wereld in faciliteiten zoals de Extreme Light Infrastructure (ELI) in Europa en het Vulcan 20-20 project in het VK. De gegenereerde puls plant zich voort met bijna de lichtsnelheid, wat het gedrag als een foton bevestigt.
Dit onderzoek kan ook helpen bij de zoektocht naar hypothetische deeltjes, zoals axionen, die potentiële componenten van donkere materie zijn. De mogelijkheid om effecten in het kwantumvacuüm te induceren, opent nieuwe wegen voor het verkennen van gebieden die verder gaan dan de traditionele deeltjesfysica. De simulatie biedt waardevolle gegevens voor experimenteel ontwerp, waaronder de exacte duur, aankomsttijd en maximale intensiteit van de gegenereerde puls.
Deze vooruitgang komt op een moment dat een nieuwe generatie ultra-intense lasers operationeel wordt. Faciliteiten zoals ELI, SEL in China en het OPAL-systeem in de Verenigde Staten zullen binnenkort de benodigde kracht hebben om de gesimuleerde omstandigheden te reproduceren. Dit markeert een verschuiving van blind experimenteren naar een routekaart die aangeeft hoe, wanneer en waar licht uit het vacuüm kan ontstaan.
Dit werk onderstreept het idee dat het vacuüm niet alleen een achtergrond is, maar een dynamische actor met zijn eigen eigenschappen. De mogelijkheid om licht uit het vacuüm te creëren met alleen licht dwingt ons om de fundamentele concepten van energie, materie en ruimte te heroverwegen, wat een stap vertegenwoordigt in de richting van een nieuwe experimentele fysica van het onzichtbare.