Físicos revelan cómo se controla la velocidad del tiempo cuántico

El tiempo, aunque parece fluido y continuo, se comporta de manera diferente en el nivel cuántico. Recientemente, físicos de la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne encontraron una forma innovadora de medir la duración de eventos cuánticos ultrarrápidos sin recurrir a un reloj externo. Al observar cambios sutiles en electrones que absorben luz y escapan de un material, los investigadores descubrieron que estas transiciones no son instantáneas y que su duración depende en gran medida de la estructura atómica del material involucrado.

Desafíos en la medición del tiempo cuántico

En escalas diminutas, los procesos físicos ocurren a velocidades sorprendentes. Eventos como el túnel cuántico o el cambio de estado de energía de un electrón tras absorber luz pueden suceder en solo unas pocas decenas de attosegundos (10^-18 segundos). Este intervalo es tan breve que incluso la luz no podría recorrer el ancho de un pequeño virus en ese tiempo.

Medir tales intervalos de tiempo ha demostrado ser extremadamente complicado. Cualquier dispositivo de temporización externo corre el riesgo de interferir con el frágil proceso cuántico que se estudia, alterando su comportamiento. El profesor Hugo Dil comentó: "Aunque el premio Nobel de física 2023 demuestra que podemos acceder a tiempos tan cortos, el uso de una escala temporal externa puede inducir artefactos. Este desafío puede resolverse utilizando métodos de interferencia cuántica, basados en la relación entre la fase acumulada y el tiempo".

Una nueva metodología para medir el tiempo sin reloj

El equipo de Dil desarrolló un método que evita por completo el uso de relojes externos. Cuando los electrones absorben un fotón y son emitidos desde un material, transportan información codificada en su spin. Este spin cambia dependiendo de cómo se desarrolla la transición cuántica. Al analizar cuidadosamente estos cambios, los investigadores pudieron determinar cuánto dura la transición.

El autor principal del estudio, Fei Guo, explicó: "Estos experimentos no requieren una referencia externa o un reloj, y proporcionan la escala temporal necesaria para que la función de onda del electrón evolucione de un estado inicial a uno final a una energía superior tras la absorción de un fotón".

Interferencia cuántica y duración de la transición

Cuando la luz excita un electrón, el proceso no sigue un solo camino. Existen múltiples trayectorias cuánticas posibles al mismo tiempo, que interfieren entre sí. Esta interferencia deja una firma clara en el spin del electrón emitido. Al examinar cómo cambia este patrón de spin a medida que varía la energía del electrón, el equipo pudo calcular cuánto tiempo tomó la transición.

Para llevar a cabo estas mediciones, los investigadores utilizaron un método conocido como "espectroscopia de fotoemisión resuelta en spin y ángulo" (SARPES). En esta técnica, luz sincrotrón intensa golpea un material, elevando sus electrones a una energía superior y forzándolos a escapar de la estructura del material. Luego, los científicos miden la energía, dirección y spin de los electrones emitidos.

Influencia de la estructura atómica en el tiempo cuántico

El equipo probó materiales con arreglos atómicos muy diferentes. Algunos eran completamente tridimensionales, como el cobre ordinario. Otros, como el diseleniuro de titanio (TiSe₂) y el ditelururo de titanio (TiTe₂), estaban compuestos por capas débilmente conectadas que se comportan más como hojas planas. El telururo de cobre (CuTe) presenta una estructura atómica aún más simple, en forma de cadena. Estas diferencias hicieron que los materiales fueran ideales para estudiar cómo la geometría influye en el tiempo.

Los resultados revelaron un patrón consistente. Cuanto más simple y reducido es la estructura atómica de un material, más larga es la duración de la transición cuántica. En el cobre tridimensional, la transición fue extremadamente rápida, tomando alrededor de 26 attosegundos. En los materiales en capas TiSe₂ y TiTe₂, el mismo proceso se ralentizó a entre 140 y 175 attosegundos. En CuTe, con su estructura en cadena, la transición superó los 200 attosegundos. Estos hallazgos demuestran que la forma a escala atómica de un material afecta fuertemente la rapidez con que se desarrolla un evento cuántico, siendo las estructuras de menor simetría las que conducen a tiempos de transición más largos.

Implicaciones para la comprensión del tiempo cuántico

El profesor Dil concluyó: "Además de proporcionar información fundamental para entender qué determina el retraso temporal en la fotoemisión, nuestros resultados experimentales ofrecen una mayor visión sobre qué factores influyen en el tiempo a nivel cuántico, hasta qué punto se pueden considerar instantáneas las transiciones cuánticas y podrían allanar el camino para comprender finalmente el papel del tiempo en la mecánica cuántica".

Más allá de profundizar en nuestra comprensión del tiempo en la física cuántica, el trabajo ofrece una nueva herramienta para estudiar cómo se comportan los electrones en materiales complejos. Conocer cuánto dura una transición cuántica podría ayudar a los científicos a diseñar materiales con propiedades cuánticas personalizadas y apoyar futuras tecnologías que dependen del control preciso de estados cuánticos.

Otros colaboradores

Lausanne Centre for Ultrafast Science (LACUS)

Paul Scherrer Institut

CY Cergy Paris Université

Université Paris-Saclay

University of West Bohemia

The University of Tokyo