Físicos de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) de Suiza lideran una investigación que ha desarrollado una forma de medir con precisión el tiempo en eventos cuánticos, tal y como se publica en ‘Newton’.
“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”, apunta el profesor Hugo Dil, físico de la EPFL.
“El problema central es el papel general del tiempo en la mecánica cuántica, y en especial la escala de tiempo asociada a una transición cuántica”. Los eventos cuánticos, como el efecto túnel, o el cambio de estado de un electrón al absorber un fotón, ocurren a velocidades asombrosas. Algunos solo duran unas pocas decenas de attosegundos (10-18 segundos), tan poco tiempo que la luz ni siquiera atravesaría el ancho de un virus pequeño.
Pero medir intervalos de tiempo tan pequeños es notoriamente difícil, también porque cualquier herramienta de cronometraje externa puede distorsionar precisamente lo que queremos observar. “Aunque el Premio Nobel de Física de 2023 demuestra que podemos acceder a tiempos tan cortos, el uso de una escala de tiempo externa tan grande corre el riesgo de inducir artefactos”, subraya Dil. “Este desafío puede resolverse mediante métodos de interferencia cuántica, basados en la relación entre la fase acumulada y el tiempo”.
Dil ha liderado esta investigación que ha desarrollado una forma de medir con precisión el tiempo en eventos cuánticos. Cuando los electrones absorben un fotón y abandonan un material, transportan información en forma de su espín, que cambia según cómo se desarrolla el proceso cuántico subyacente. Al interpretar estos pequeños cambios, los investigadores pudieron inferir la duración de la transición, sin necesidad de usar un reloj externo.
“Estos experimentos no requieren una referencia externa, o reloj, y proporcionan la escala de tiempo necesaria para que la función de onda del electrón evolucione de un estado inicial a uno final a una energía más alta tras la absorción de fotones”, exponen los autores.
El principio es el siguiente: cuando la luz excita un electrón, este puede seguir varias rutas cuánticas diferentes a la vez. Estas rutas interfieren entre sí, y esta interferencia se manifiesta como un patrón específico en el espín del electrón emitido. Al estudiar cómo cambia ese patrón de espín con la energía del electrón, el equipo pudo calcular la duración de la transición.
Para el estudio, los investigadores emplearon una técnica denominada “espectroscopia de fotoemisión con resolución de espín y ángulo” (SARPES). La SARPES consiste en proyectar luz de sincrotrón intensa sobre un material, lo que impulsa sus electrones a una mayor energía, obligándolos a salir de la estructura del material. Posteriormente, se mide la energía, la dirección y el espín de los electrones que salen.
Probaron materiales con diferentes “formas” a nivel atómico. Algunos son completamente tridimensionales, como el cobre común. Otros, como el diseleniuro de titanio (TiSe2) y el ditelururo de titanio (TiTe2), se construyen a partir de capas débilmente conectadas y se comportan más como láminas planas. El telururo de cobre (CuTe) tiene una estructura aún más simple, similar a una cadena. Estas diferencias los hacen ideales para probar cómo la geometría afecta la temporización.
Los resultados mostraron un patrón claro: cuanto más simple y reducida era la estructura del material, más prolongada era la transición cuántica. En el cobre 3D ordinario, la transición fue extremadamente rápida, con una duración de aproximadamente 26 attosegundos.
En los materiales de dos capas, TiSe2 y TiTe2, el proceso se ralentizó notablemente, a unos 140-175 attosegundos. En el CuTe, que presenta una estructura similar a una cadena, la transición se prolongó más allá de los 200 attosegundos. Esto significa que la forma a escala atómica del material influye considerablemente en la rapidez con la que se desarrolla el evento cuántico, ya que las estructuras de menor simetría producen tiempos de transición más largos.
Dil explica: “Además de proporcionar información fundamental para comprender qué determina el retraso temporal en la fotoemisión, nuestros resultados experimentales brindan una mayor comprensión de qué factores influyen en el tiempo a nivel cuántico, hasta qué punto las transiciones cuánticas pueden considerarse instantáneas y podrían allanar el camino para comprender finalmente el papel del tiempo en la mecánica cuántica”.
Los hallazgos ofrecen a los físicos una nueva forma de comprender el comportamiento del tiempo en los procesos cuánticos. También proporcionan una herramienta para analizar cómo interactúan los electrones en materiales complejos. Conocer la duración de una transición cuántica puede ayudar a los científicos a diseñar materiales con características cuánticas específicas y a mejorar las tecnologías futuras basadas en el control preciso de los estados cuánticos.