“El concepto de tiempo ha preocupado a filósofos y físicos durante miles de años, y la llegada de la mecánica cuántica no ha simplificado el problema”, afirmó el profesor Hugo Dil, físico de la EPFL. “La cuestión central es el papel general del tiempo en la mecánica cuántica y, en particular, las escalas de tiempo asociadas con las transiciones cuánticas”.
A la escala más pequeña, los procesos físicos se desarrollan a una velocidad asombrosa. Eventos como la formación de túneles o la transición de un electrón a un nuevo estado energético después de absorber luz pueden ocurrir en tan solo unas pocas decenas de segundos (10 a 18 s). Este intervalo es tan corto que ni siquiera la luz atravesaría la anchura de un virus pequeño en ese tiempo.
¿Por qué es tan difícil medir el tiempo cuántico?
Hacer un seguimiento de este pequeño período de tiempo ha resultado ser un gran desafío. Cualquier dispositivo de cronometraje externo corre el riesgo de interferir con el estudio del frágil proceso cuántico y alterar su comportamiento. “Si bien el Premio Nobel de Física de 2023 muestra que podemos acceder a escalas de tiempo tan cortas, utilizar escalas de tiempo externas corre el riesgo de inducir artefactos”, dice Dil. “Este desafío puede resolverse utilizando métodos de interferencia cuántica basados en el vínculo entre la fase acumulada y el tiempo”.
Una nueva forma de medir el tiempo sin reloj
Dil y su equipo han desarrollado un método que evita por completo los relojes externos. Cuando los electrones absorben un fotón y son emitidos por un elemento, transportan información codificada en su espín. Ese giro cambia dependiendo de cómo se desarrolla la transición cuántica. Al analizar cuidadosamente estos cambios, los investigadores pudieron determinar cuánto duró la transición.
“Estos experimentos no requieren referencia externa ni reloj y proporcionan la escala de tiempo necesaria para que la función de onda del electrón evolucione desde el estado inicial al estado final con alta energía tras la absorción de fotones”, explicó Fei Guo, primer autor del estudio.
Cómo la interferencia cuántica revela la duración
Cuando la luz excita un electrón, el proceso no sigue un solo camino. Son posibles múltiples caminos cuánticos al mismo tiempo y se interfieren entre sí. Esta interferencia deja una firma clara en el espín del electrón emitido. Al examinar cómo cambia este patrón de espín a medida que cambia la energía del electrón, el equipo puede calcular cuánto dura la transición.
Para llevar a cabo estas mediciones, los investigadores utilizaron un método conocido como “espectroscopia de fotoemisión resuelta por giro y ángulo” (SARPES). En esta técnica, una intensa luz de sincrotrón incide sobre un material, impulsando sus electrones a energías más altas y obligándolos a escapar de la estructura del material. Luego, los científicos miden la energía, la dirección y el giro de los electrones emitidos.
Cómo la estructura atómica afecta la sincronización cuántica
El equipo probó materiales con sistemas atómicos muy diferentes. Algunos eran completamente tridimensionales, como el cobre ordinario. Otros, incluido el diseleniuro de titanio (TiSe₂) y el ditellururo de titanio (TiTe₂), están hechos de capas débilmente conectadas que se comportan como láminas planas. El telururo de cobre (CuTe) tiene una estructura atómica en forma de cadena más simple. Estos contrastes hacen que los materiales sean ideales para estudiar cómo la geometría afecta el tiempo.
Los resultados revelaron un patrón consistente. Cuanto más simple y reducida es la estructura atómica de un material, más dura la transición cuántica. En el cobre tridimensional, la transición fue extremadamente rápida, tardando unos 26 attosegundos.
En los materiales estratificados TiSe₂ y TiTe₂, el mismo proceso se ralentiza entre 140 y 175 attosegundos. En CuTe, con su estructura en forma de cadena, la transición superó los 200 attosegundos. Estos resultados muestran que la forma a escala atómica de un material afecta fuertemente la rapidez con la que se desarrolla un evento cuántico, con estructuras de menor simetría que resultan en tiempos de transición más largos.
Qué significa esto para comprender el tiempo cuántico
“Además de proporcionar información fundamental para comprender qué determina el retraso temporal de las fotoemisiones, nuestros resultados experimentales proporcionan más información sobre qué influye en el tiempo a nivel cuántico, hasta qué punto las transiciones cuánticas pueden considerarse instantáneas y, en última instancia, pueden allanar el camino para comprender el papel del tiempo en la mecánica cuántica”.
Más allá de profundizar nuestra comprensión del tiempo en física cuántica, el trabajo proporciona una nueva herramienta para estudiar cómo se comportan los electrones en materia compleja. Saber cuánto duran las transiciones cuánticas puede ayudar a los científicos a diseñar materiales con propiedades cuánticas que se adapten a tecnologías futuras que dependan del control preciso de los estados cuánticos.
Otros contribuyentes
- Centro de Ciencias Ultrarrápidas de Lausana (LACUS)
- Instituto Paul Scherer
- CY Sergi Universidad de París
- Universidad de París-Saclay
- Universidad de Bohemia Occidental
- Universidad de Tokio
