Med hjälp av avancerad datormodellering har ett forskarteam under ledning av Oxfords universitet, i samarbete med Instituto Superior Técnico vid Lissabons universitet, för första gången lyckats skapa tredimensionella simuleringar i realtid av hur intensiva laserstrålar förändrar ”kvantvakuumet” – ett tillstånd som tidigare antogs vara tomt, men som kvantfysiken förutspår är fullt av virtuella elektron-positronpar.
Spännande nog återskapar dessa simuleringar ett bisarrt fenomen som förutsagts av kvantfysiken, känt som ”vakuumfyrvågsblandning”. Detta innebär att det kombinerade elektromagnetiska fältet från tre fokuserade laserpulser kan polarisera de virtuella elektron-positronpar i ett vakuum, vilket får fotoner att studsa mot varandra som biljardbollar – och genererar en fjärde laserstråle i en process som kallas ”ljus från mörker”. Dessa händelser kan fungera som en sond för ny fysik vid extremt höga intensiteter.
”Detta är inte bara en akademisk kuriositet – det är ett stort steg mot experimentell bekräftelse av kvanteffekter som hittills mest har varit teoretiska”, säger studiens medförfattare, professor Peter Norreys, Institutionen för fysik, Oxfords universitet.
Arbetet är publicerat i Communications Physics.
Arbetet kommer precis i rätt tid, då en ny generation av ultrakraftiga lasrar börjar tas i drift. Anläggningar som Vulcan 20-20 i Storbritannien, det europeiska projektet Extreme Light Infrastructure (ELI) och Station for Extreme Light (SEL) och SHINE i Kina kommer att leverera tillräckligt höga effektnivåer för att potentiellt bekräfta foton-foton-spridning i laboratoriet för första gången.
Fotonspridning har redan valts ut som ett av tre flaggskeppsexperiment vid University of Rochesters OPAL-laseranläggning med dubbla strålar på 25 PW i USA.
Simuleringarna utfördes med hjälp av en avancerad version av OSIRIS, ett simuleringsprogram som modellerar interaktioner mellan laserstrålar och materia eller plasma.
Huvudförfattaren Zixin (Lily) Zhang, doktorand vid Oxfords fysikavdelning, säger: ”Vårt datorprogram ger oss ett tidsupplöst 3D-fönster in i kvantvakuum-interaktioner som tidigare var utom räckhåll.
Genom att tillämpa vår modell på ett tre-stråle-spridningsexperiment kunde vi fånga hela spektrumet av kvantsignaturer, tillsammans med detaljerade insikter om interaktionsområdet och viktiga tidsskalor. Efter att ha noggrant testat simuleringen kan vi nu rikta vår uppmärksamhet mot mer komplexa och explorativa scenarier – inklusive exotiska laserstrålstrukturer och flygande fokuspulser.”
Avgörande är att dessa modeller tillhandahåller detaljer som experimentella forskare är beroende av för att utforma precisa, verkliga tester, inklusive realistiska laserformer och pulstimingar. Simuleringarna avslöjar också nya insikter, bland annat hur dessa interaktioner utvecklas i realtid och hur subtila asymmetrier i strålgeometrin kan förändra resultatet.
Enligt teamet kommer verktyget inte bara att hjälpa till att planera framtida högenergilaserexperiment, utan också kunna bidra till sökandet efter tecken på hypotetiska partiklar som axioner och millicharged-partiklar – potentiella kandidater för mörk materia.
Studieförfattaren professor Luis Silva (vid Instituto Superior Tecnico, Lissabons universitet och gästprofessor i fysik vid Oxfords universitet) tillade: ”En rad planerade experiment vid de mest avancerade laseranläggningarna kommer att få stor hjälp av vår nya beräkningsmetod som implementerats i OSIRIS.
Kombinationen av ultraintenstiva lasrar, toppmodern detektering, banbrytande analytisk och numerisk modellering är grunden för en ny era inom laser-materia-interaktioner, som kommer att öppna nya horisonter för grundläggande fysik.”
Mer information: Zixin Zhang et al, Computational modelling of the semi-classical quantum vacuum in 3D, Communications Physics (2025). DOI: 10.1038/s42005-025-02128-8
