Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και το Instituto Superior Tecnico στη Λισαβόνα πραγματοποίησαν τρισδιάστατες προσομοιώσεις σε πραγματικό χρόνο, δείχνοντας πώς οι έντονες δέσμες λέιζερ αλληλεπιδρούν με το κβαντικό κενό - έναν χώρο που δεν είναι πραγματικά άδειος αλλά γεμάτος με βραχύβια ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Η εργασία τους, που δημοσιεύτηκε στο Communications Physics, προσφέρει μια προσεκτική ματιά στο τι συμβαίνει όταν το φως φαίνεται να προέρχεται από το «σκοτάδι», κάτι που μοιάζει λίγο με μαγεία από την άποψη της κλασικής φυσικής.
Χρησιμοποιώντας μια εξαιρετικά προηγμένη έκδοση του λογισμικού προσομοίωσης OSIRIS (συντομογραφία για Outdoor Scene and InfraRed Image Simulation), η ομάδα αναδημιούργησε ένα φαινόμενο που ονομάζεται ανάμειξη τεσσάρων κυμάτων στο κενό. Σε αυτή τη διαδικασία, τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία από τρεις ισχυρούς παλμούς λέιζερ πολώνουν τα εικονικά σωματίδια στο κενό, προκαλώντας την ανάκλαση των φωτονίων μεταξύ τους, με αποτέλεσμα μια τέταρτη δέσμη λέιζερ.
«Δεν πρόκειται απλώς για μια ακαδημαϊκή περιέργεια - είναι ένα σημαντικό βήμα προς την πειραματική επιβεβαίωση των κβαντικών φαινομένων που μέχρι τώρα ήταν ως επί το πλείστον θεωρητικά», δήλωσε ο καθηγητής Peter Norreys από το Τμήμα Φυσικής της Οξφόρδης.
Αυτό που καθιστά επίκαιρο αυτό το έργο είναι η παγκόσμια ανάπτυξη συστημάτων λέιζερ πολλαπλών πεταβάτ που μπορούν να δημιουργήσουν εξαιρετικά ισχυρά ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Εγκαταστάσεις όπως το Vulcan 20-20 στο Ηνωμένο Βασίλειο, το ELI στην Ευρώπη και τα SHINE και SEL στην Κίνα, μαζί με το λέιζερ διπλής δέσμης OPAL (γραμμή οπτικού παραμετρικού ενισχυτή) στις ΗΠΑ, αναμένεται να επιτύχουν τα επίπεδα ισχύος που απαιτούνται για να παρατηρηθούν αυτά τα σπάνια κβαντικά φαινόμενα σε πραγματικά πειράματα.
Για να κάνουν τις προσομοιώσεις τους πιο ακριβείς, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν ημι-κλασικό αριθμητικό επιλυτή βασισμένο στη Λαγκρανζιανή των Χάιζενμπεργκ-Όιλερ. Αυτή η προσέγγιση τους επέτρεψε να μοντελοποιήσουν δύο κύρια φαινόμενα κβαντικού κενού και να ελέγξουν τα αποτελέσματά τους σε σχέση με γνωστές προβλέψεις για διπλή διάθλαση κενού - ένα φαινόμενο όπου το φως διασπάται ή μετατοπίζεται καθώς διέρχεται από ένα ισχυρό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.
Δοκίμασαν παλμούς λέιζερ επίπεδου κύματος και Γκαουσιανούς παλμούς και διαπίστωσαν ότι οι έξοδοι τους ταίριαζαν καλά με τις υπάρχουσες θεωρίες. Για την περίπτωση ανάμειξης τεσσάρων κυμάτων, χρησιμοποίησαν τρεις Γκαουσιανές δέσμες και μπόρεσαν να παρακολουθήσουν τον σχηματισμό της τέταρτης δέσμης με την πάροδο του χρόνου. Η προσομοίωση έδειξε επίσης λίγο αστιγματισμό - όπου η δέσμη εξόδου δεν είχε τέλειο σχήμα - και έδωσε σαφείς μετρήσεις για το πόσο διήρκεσε η αλληλεπίδραση και πόσο μεγάλη ήταν η πληγείσα περιοχή.
«Το πρόγραμμα υπολογιστή μας μας δίνει ένα τρισδιάστατο παράθυρο με χρονική ανάλυση στις αλληλεπιδράσεις κβαντικού κενού που προηγουμένως ήταν απρόσιτες», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας Zixin Zhang, διδακτορικός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης. «Εφαρμόζοντας το μοντέλο μας σε ένα πείραμα σκέδασης τριών δεσμών, καταφέραμε να καταγράψουμε το πλήρες φάσμα των κβαντικών υπογραφών, μαζί με λεπτομερείς πληροφορίες για την περιοχή αλληλεπίδρασης και τις βασικές χρονικές κλίμακες».
Η ομάδα συνέκρινε τα αποτελέσματά της με απλούστερα μοντέλα και προηγούμενα δεδομένα για να βεβαιωθεί ότι όλα ελέγχονται σωστά. Αυτά τα εργαλεία αναμένεται να βοηθήσουν τους επιστήμονες να σχεδιάσουν πειράματα στην πραγματική ζωή, με μεγαλύτερο έλεγχο του χρονισμού, του σχήματος και της κατεύθυνσης του λέιζερ.
Ο καθηγητής Luis Silva, συν-συγγραφέας από το Instituto Superior Técnico και επισκέπτης καθηγητής στην Οξφόρδη, δήλωσε: «Ένα ευρύ φάσμα προγραμματισμένων πειραμάτων στις πιο προηγμένες εγκαταστάσεις λέιζερ θα υποβοηθηθεί σε μεγάλο βαθμό από τη νέα μας υπολογιστική μέθοδο που εφαρμόζεται στο OSIRIS. Ο συνδυασμός εξαιρετικά έντονων λέιζερ, ανίχνευσης τελευταίας τεχνολογίας, αναλυτικής και αριθμητικής μοντελοποίησης αιχμής αποτελούν τα θεμέλια για μια νέα εποχή στις αλληλεπιδράσεις λέιζερ-ύλης, η οποία θα ανοίξει νέους ορίζοντες για τη θεμελιώδη φυσική».
Το εργαλείο προσομοίωσης μπορεί επίσης να βοηθήσει στην αναζήτηση νέων σωματιδίων, όπως αξιόνια και χιλιοφορτισμένα σωματίδια, τα οποία θεωρούνται ισχυροί υποψήφιοι για τη σκοτεινή ύλη.
