Físicos encuentran una forma de medir el tiempo involucrado en los eventos cuánticos

Las diferencias en la estructura atómica de los materiales han resultado determinantes en el tiempo que requieren las transiciones cuánticas, según hallazgos recientes de un equipo de científicos de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), en Suiza. De acuerdo con la publicación de 'Newton', el grupo liderado por el profesor Hugo Dil reveló que los materiales con una organización atómica más simple y con menor simetría muestran transiciones cuánticas más lentas, mientras que aquellos con una red tridimensional más compleja, como el cobre, presentan eventos cuánticos significativamente más rápidos. Esta observación se desprende de experimentos en los que los investigadores midieron la duración de transiciones subatómicas sin necesidad de recurrir a relojes externos.

Según explicó el profesor Dil a 'Newton', la naturaleza del tiempo en la mecánica cuántica ha sido objeto de debate tanto para físicos como para filósofos a lo largo de la historia. El reto principal reside en determinar la escala temporal asociada con una transición cuántica, ya que estos fenómenos ocurren en intervalos sumamente breves, que a menudo se expresan en attosegundos (10⁻¹⁸ segundos). Algunos de los procesos estudiados, como el efecto túnel o el salto de un electrón tras la absorción de un fotón, duran tan solo unas decenas de attosegundos. En tales intervalos, la luz no recorrería ni siquiera el ancho de un virus pequeño.

El medio 'Newton' detalló que uno de los desafíos en la medición del tiempo en este contexto radica en la interferencia que pueden generar los instrumentos de cronometraje convencionales, capaces de alterar los propios fenómenos cuánticos que buscan observar. El propio Dil señaló: “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”. Según el grupo de investigación, esta problemática puede abordarse utilizando métodos de interferencia cuántica, en los cuales la relación entre la fase acumulada y el tiempo se convierte en la base de la medición.

El método desarrollado por el equipo de la EPFL se fundamenta en el análisis de cómo se modifica el espín de los electrones cuando absorben un fotón y abandonan el material del que proceden. Los investigadores pudieron inferir la duración de la transición interpretando los cambios en el espín de los electrones, sin requerir ningún tipo de referencia externa para el tiempo. Los autores explicaron en 'Newton' que con estos experimentos, “no se necesita una referencia externa, o reloj, y se puede obtener la escala temporal necesaria para que la función de onda del electrón evolucione entre un estado inicial y otro final a una energía mayor después de absorber fotones”.

La clave del principio experimental radica en que, al excitar un electrón mediante luz, este dispone de varias rutas cuánticas posibles de manera simultánea. Estas rutas producen interferencias entre sí y generan un patrón particular en el espín de los electrones emitidos. Analizando la evolución de dicho patrón en función de la energía del electrón, el equipo logró determinar el tiempo que requiere cada transición cuántica.

Para poner a prueba su método, los científicos utilizaron la técnica denominada espectroscopia de fotoemisión con resolución de espín y ángulo (SARPES). Este procedimiento consiste en proyectar luz sincrotrón muy intensa sobre un material, lo que provoca que los electrones adquieran mayor energía y abandonen la estructura atómica. Posteriormente, se analizan la energía, dirección y espín de estos electrones liberados, obteniendo información detallada sobre la dinámica interna del proceso de transición cuántica.

El estudio contempló materiales con diferentes disposiciones atómicas. Entre ellos se incluyó el cobre, que cuenta con una compleja estructura tridimensional; el diseleniuro y ditelururo de titanio (TiSe₂ y TiTe₂), caracterizados por una arquitectura en capas débiles que se asemejan a hojas bidimensionales; y el telururo de cobre (CuTe), cuya disposición atómica se aproxima a una cadena lineal. Tal como publicó 'Newton', el propósito consistió en observar cómo la simplicidad o complejidad de la estructura influye en la duración del fenómeno cuántico.

Los resultados mostraron un vínculo directo entre la simetría y la rapidez de la transición. En el caso del cobre tridimensional, la duración de la transición cuántica fue de aproximadamente 26 attosegundos. En materiales de dos capas como el TiSe₂ y TiTe₂, este proceso aumentó a intervalos de entre 140 y 175 attosegundos. El CuTe, presentado como ejemplo de estructura unidimensional, requirió más de 200 attosegundos para completar la transición. Conforme señaló Dil a 'Newton', estas observaciones ofrecen una perspectiva fundamental acerca de los factores que determinan el retardo temporal en la fotoemisión, al igual que proporcionan un marco para debatir si las transiciones cuánticas pueden considerarse instantáneas o no.

Además del interés teórico, el avance tiene implicaciones en el diseño y control de materiales con propiedades cuánticas personalizadas. Poder medir con exactitud la duración de estos procesos abre posibilidades para optimizar tecnologías basadas en la manipulación de estados cuánticos, como componentes electrónicos de nueva generación y materiales con aplicaciones en computación cuántica. Según reportó 'Newton', el conocimiento obtenido también habilitará a los científicos a analizar con mayor precisión la interacción de electrones en materiales de geometría compleja.

La investigación publicada subraya que la combinación de métodos cuánticos de interferencia y la espectroscopia SARPES proporciona a la comunidad científica una herramienta para medir escalas temporales ultracortas en sistemas subatómicos, sin alterar significativamente el resultado debido a la intervención de instrumentos externos. Esta aproximación representa un cambio en la forma de interpretar y explorar los fenómenos ligados al tiempo en la física cuántica.