Separare sperimentalmente le fluttuazioni del vuoto dalla radiazione sorgente

Energia misteriosa nello spazio vuoto

Lo spazio vuoto non è veramente vuoto. Secondo la fisica quantistica, è pervaso da piccolissimi campi elettrici e magnetici in continuo mutamento, noti come fluttuazioni del vuoto. Questi tremolii nascosti aiutano a spiegare effetti sottili negli atomi e nella luce, ma finora sono stati irrimediabilmente intrecciati con la radiazione ordinaria proveniente da particelle reali e sorgenti luminose. Questo articolo riporta il primo esperimento che separa nettamente questi due ingredienti del mondo quantistico, trasformando un esperimento mentale di lunga data in una realtà da banco.

Trasformare un esperimento mentale in un test reale

Quasi un secolo fa, il fisico Enrico Fermi immaginò due atomi improvvisamente messi in grado di interagire con il campo elettromagnetico dello spazio vuoto. Con il passare del tempo, gli atomi diventavano correlati in due modi: attingendo alle fluttuazioni del vuoto sempre presenti e scambiando un fotone reale di luce tra loro, nota come radiazione sorgente. La teoria diceva che entrambi i processi erano importanti, ma separarli era considerato impossibile. Il nuovo lavoro sostituisce gli atomi di Fermi con due impulsi laser ultracorti e li lascia giocare lo stesso ruolo all’interno di un cristallo speciale che risponde ai campi elettrici. Questa versione tutto‑ottica permette di accendere e spegnere l’interazione con tempismo squisito mentre gli impulsi entrano ed escono dal materiale.

Usare impulsi luminosi come sonde quantistiche

Nell’esperimento, due impulsi laser nel vicino infrarosso viaggiano affiancati attraverso un cristallo di tellururo di zinco raffreddato a poche decine di gradi sopra lo zero assoluto per eliminare la radiazione termica ordinaria. Quando ogni impulso passa, si accoppia brevemente a modi del campo elettromagnetico a frequenze molto più basse, nel range terahertz, tramite un effetto ottico non lineare. Questo modifica la polarizzazione degli impulsi — la direzione in cui i loro campi elettrici vibrano — di una piccola quantità. Rivelatori altamente sensibili leggono poi questi cambiamenti di polarizzazione per ciascun impulso, permettendo ai ricercatori di cercare correlazioni tra di essi che rivelano l’influenza del vuoto e della radiazione sorgente.

Separare due tipi di rumore quantistico

Un trucco chiave è che le fluttuazioni del vuoto e la radiazione sorgente disturbano diverse “quadrature” del campo luminoso, grossomodo analogo a spingere un’altalena a un quarto del periodo rispetto a farlo in fase. Inserendo diverse placche d’onda davanti a ciascun rivelatore, il gruppo può scegliere quale quadratura di ogni impulso osservare. Quando entrambi i rami di rivelazione sono sintonizzati sulla stessa quadratura fuori fase, registrano correlazioni che appaiono istantaneamente quando i due impulsi si sovrappongono nel tempo, rivelando l’impronta delle fluttuazioni del vuoto condivise da entrambi. Quando un rivelatore è sintonizzato in fase e l’altro fuori fase, compare una nuova correlazione ritardata: un impulso prima eccita la radiazione sorgente, che poi si propaga attraverso il cristallo ed è catturata dal secondo impulso solo dopo un tempo di transito della luce. Questo schema temporale asimmetrico codifica il carattere causale e “a posteriori” della radiazione sorgente.

Verificare una regola quantistica fondamentale

Studiando queste correlazioni non solo nel tempo ma anche in funzione della frequenza, gli autori mostrano che i due segnali sono collegati esattamente come previsto dalla versione quantistica del teorema di fluttuazione‑dissipazione, un principio profondo che connette il rumore casuale alla risposta di un sistema. Il segnale indotto dal vuoto e il segnale della radiazione sorgente si allineano come parti reale e immaginaria di un’onda complessa, sfasate di un quarto di ciclo. Nonostante piccoli spostamenti dovuti a dettagli pratici, come l’esatta separazione tra i fasci nel cristallo, le misure corrispondono da vicino a calcoli teorici dettagliati, confermando che i due contributi sono fisicamente significativi e non semplici artefatti di contabilità matematica.

Perché questo è importante per le future tecnologie quantistiche

Essere in grado di misurare separatamente le fluttuazioni del vuoto e la radiazione sorgente fa più che risolvere un dibattito concettuale. Apre una nuova finestra sui campi quantistici in “spazi‑tempi” dipendenti dal tempo e persino curvi, ingegnerizzati in laboratorio. Poiché il metodo può, in linea di principio, isolare correlazioni dovute a un singolo fotone terahertz anche su uno sfondo caldo, potrebbe aiutare a sondare effetti esotici come l’effetto Casimir dinamico, in cui confini in movimento creano luce dal vuoto, o il “raccolto di entanglement”, dove rivelatori separati estraggono connessioni quantistiche dallo spazio vuoto. In termini quotidiani, lo studio mostra che ora possiamo non solo percepire l’attività incessante del vuoto, ma anche osservare come essa si trasforma passo dopo passo in radiazione reale.

Citazione: Herter, A., Lindel, F., Gabriel, L. et al. Experimentally separating vacuum fluctuations from source radiation. Nat Commun 17, 2863 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69142-4

Parole chiave: vuoto quantistico, campionamento elettro‑ottico, radiazione terahertz, fluttuazioni del vuoto, correlazioni quantistiche