Científicos suizos miden por primera vez el tiempo en eventos cuánticos: la clave está en el espín de los electrones
En un avance que desafía los límites de la física moderna, investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) han logrado medir con precisión el tiempo que dura una transición cuántica, un logro que durante décadas se consideró casi imposible. El estudio, publicado en la revista Newton, no solo resuelve un enigma teórico de larga data, sino que también abre la puerta a nuevas tecnologías basadas en el control del tiempo a escala atómica.
¿Por qué medir el tiempo en el mundo cuántico es tan difícil?
El concepto de tiempo ha obsesionado a filósofos y físicos durante milenios. En el ámbito cuántico, el desafío se multiplica: los eventos ocurren en fracciones de segundo tan pequeñas que incluso la luz apenas tendría tiempo de cruzar el ancho de un virus. Algunas transiciones duran solo unas pocas decenas de attosegundos (10⁻¹⁸ segundos), una escala temporal tan breve que cualquier intento de medirla con herramientas externas corre el riesgo de distorsionar el fenómeno que se pretende observar.
«El problema central es el papel del tiempo en la mecánica cuántica, y especialmente la escala de tiempo asociada a una transición cuántica», explica el profesor Hugo Dil, físico de la EPFL y líder del estudio. «Aunque el Premio Nobel de Física de 2023 demostró que podemos acceder a tiempos tan cortos, el uso de una escala de tiempo externa tan grande corre el riesgo de inducir artefactos».
La solución: espín de electrones y patrones de interferencia
En lugar de usar un reloj externo, el equipo suizo recurrió a un método basado en la mecánica cuántica: la interferencia cuántica. Cuando un electrón absorbe un fotón y abandona un material, su espín (una propiedad cuántica similar a un pequeño imán) cambia de manera específica según cómo se desarrolle el proceso. Al analizar estos cambios, los investigadores pudieron inferir la duración de la transición sin necesidad de 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», detallan los autores.
¿Cómo lo hicieron? La espectroscopia de fotoemisión con resolución de espín y ángulo (SARPES)
Para llevar a cabo su experimento, el equipo empleó una técnica llamada espectroscopia de fotoemisión con resolución de espín y ángulo (SARPES). El proceso es el siguiente:
- Se proyecta luz intensa de sincrotrón sobre un material, lo que impulsa a sus electrones a una mayor energía y los obliga a salir de la estructura del material.
- Se mide la energía, la dirección y el espín de los electrones que salen.
- Al estudiar cómo cambia el patrón de espín con la energía del electrón, el equipo pudo calcular la duración de la transición.
El papel de la geometría atómica: no todos los materiales son iguales
Los investigadores probaron materiales con diferentes «formas» a nivel atómico:
- Cobre (Cu): Material completamente tridimensional, con alta simetría.
- Diseleniuro de titanio (TiSe₂) y ditelururo de titanio (TiTe₂): Materiales construidos a partir de capas débilmente conectadas, que se comportan más como láminas planas.
- Telururo de cobre (CuTe): Material con una estructura aún más simple, similar a una cadena.
Los resultados mostraron un patrón claro: cuanto más simple y reducida era la estructura del material, más prolongada era la transición cuántica:
- Cobre 3D: Aproximadamente 26 attosegundos.
- TiSe₂ y TiTe₂: 140-175 attosegundos.
- CuTe: Más de 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: las estructuras de menor simetría producen tiempos de transición más largos.
¿Qué significa este descubrimiento para la ciencia y la tecnología?
Más allá de resolver un enigma teórico, este avance ofrece a los físicos una nueva forma de comprender el comportamiento del tiempo en los procesos cuánticos. También proporciona una herramienta para analizar cómo interactúan los electrones en materiales complejos.
«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», concluye Dil.
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, como la computación cuántica, la detección ultraprecisa y la electrónica de próxima generación.
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