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Alumni-Preis 2020

Frieder Lindel für seine Masterarbeit: "Probing the quantum vacuum using nonlinear crystals: a macroscopic quantum electrodynamics perstective"

Alumni-Preis 2020

Frieder Lindel

Betreuer: Dr. Stefan Buhmann

 

Kurzzusammenfassung der Arbeit (deutsch):

Eine bemerkenswerte Konsequenz von Heisenberg’s Unschärferelation ist die Existenz von Fluktuationen des elektromagnetischen Feldes selbst im Grundzustand der Theorie. Da diese sogenannten Vakuumsfluktuationen mit Materie wechselwirken, ergeben sich indirekt aus ihnen beobachtbare Phänomene wie zum Beispiel die spontane Emission von Licht, die Lamb-Verschiebung oder Casimir bzw. Casimir-Polder Kräfte. Jüngst wurde eine neue Art von Experimenten entwickelt, mit deren Hilfe sich die Vakuumsfluktuationen des elektromagnetischen Feldes nachweisen lassen [1,2]: Bei diesen Experimenten mittels elektrooptischen Sampling werden ultrakurze Laserpulse durch einen nichtlineare Kristall gesendet, dessen optische Eigenschaften von den Vakuumsfluktuationen beeinflusst werden.

In meiner Masterarbeit haben wir einen auf makroskopischer Quantenelektrodynamik basierenden theoretischen Formalismus entwickelt, mit dessen Hilfe sich die Ausbreitung von Lichtpulsen in nichtlinearen Kristallen beschreiben lässt. Die Anwendung dieses Formalismus auf Experimente mit elektrooptischem Sampling hat es uns ermöglicht, diese erstmals theoretisch auf eine Art zu beschreiben, welche sowohl dispersive Effekte als auch Absorptionsprozesse und deren Auswirkung auf die Vakuumsfluktuationen des elektromagnetischen Feldes mit einbezieht. Außerdem wurde auf die sonst übliche die Paraxialnäherung verzichtet und der Einfluss von zusätzlichen optischen Grenzflächen auf das Ergebnis der Experimente konnte mit berücksichtigt werden. Mit unsere Ergebnissen konnten wir die bisherigen experimentellen Daten erklären, vorausgegangene theoretische Ergebnisse ergeben sich in bestimmten Grenzfällen.

Darüberhinaus wird in meiner Masterarbeit diskutiert, inwiefern sich diese Experimente dazu eignen, verschiedene Charakteristika des sogenannten mediengestützten Quantenvakuum sichtbar zu machen: Zum einen argumentieren wir, dass durch Veränderung der Laserpulslänge sowohl longitudinale als auch transversale Fluktuationen separat analysiert werden können. Zum anderen diskutieren wir die Möglichkeiten, den Einfluss von makroskopischen Objekten, wie z.B. metallene Platten oder optische Resonatoren, auf die Vakuumsfluktuationen in Experimenten mittels elektrooptischem Sampling sichtbar zu machen. Damit konnten wir eine Verbindung zwischen diesem neuartigen Zugang zu Vakuumsfluktuationen und geometrieinduzierten Effekten wie beispielsweise Casimir-Kräften herstellen.


[1] C. Riek et al., Science 350, 420 (2015)
[2] I.-C. Benea-Chelmus et al., Nature 568, 7751 (2019)

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