Signatures of the quantum vacuum in inhomogeneous electromagnetic fields

Seegert, Nico GND

Die Quantenelektrodynamik beschreibt das Vakuum als durchsetzt von virtuellen Elektron-Positron-Paaren, welche als Folge quantenmechanischer Nullpunktsfluktuationen auftreten. Diese ermöglichen nichtlineare Wechselwirkungen zwischen elektromagnetischen Feldern in Vakuum. Da diese erst bei extrem hohen Feldstärken sichtbar werden, gibt es bis heute keine experimentelle Bestätigung rein optischer Signaturen der Nichtlinearität des Quantenvakuums. In dieser Arbeit werden einige Signaturen des Quantenvakuums in inhomogenen elektromagnetischen Feldern untersucht. Die Betrachtung von inhomogenen Felder wird durch die rasante Entwicklung von Hochintensitätslasern, welche große Feldstärken erreichen können, motiviert. Diese Eigenschaft macht moderne Laser zu idealen Kandidaten zum Nachweis der nichtlinearen Eigenschaften des Quantenvakuums in zukünftigen Experimenten. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit Quantenreflexion als neue Signatur des Quantenvakuums, welche nur in manifest inhomogenen Feldern auftritt. Es findet eine tiefgehende Untersuchung verschiedener Konfigurationen und Inhomogeneitäten im experimentell relevanten Limes schwacher Felder, und desweiteren im Limes starker Hintergrundfelder statt. Für typische Parameter von modernen Hochintensitätslasern schätzen wir die zu erwartende Anzahl von quantenreflektierten Photonen ab. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit Photonen-Splitting und -Merging in inhomogenen Hintergrundfeldern. Neben einer Analyse der Auswahlregeln für diese beiden Prozesse untersuchen wir einige mögliche experimentelle Anordnungen mit Hochintensitätslasern zum Zwecke des Nachweises von Photonen-Merging im Vakuum. Die Emission des Signals in den feldfreien Raum kombiniert mit der einhergehenden Frequenzkonversion sowie induziertem Polarisationswechsel machen Merging zu einem vielversprechenden Kandidaten zum experimentellen Nachweis und Untersuchung der nichtlinearen Eigenschaften des

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Seegert, Nico: Signatures of the quantum vacuum in inhomogeneous electromagnetic fields. Jena 2017.

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