“O conceito de tempo tem preocupado filósofos e físicos há milénios, e o advento da mecânica quântica não simplificou o problema”, diz o professor Hugo Dill, físico da EPFL. “A questão central é o papel geral do tempo na mecânica quântica e, especialmente, a escala de tempo associada às transições quânticas.”
Nas menores escalas, os processos físicos se desenrolam com uma velocidade surpreendente. Eventos como tunelamento ou transição de um elétron para um novo estado de energia após a absorção de luz podem ocorrer em apenas algumas dezenas de attossegundos (10-18 segundos). Esse intervalo é tão curto que durante esse período nem mesmo a luz passaria pela largura de um pequeno vírus.
Por que o tempo quântico é tão difícil de medir?
Rastrear esses pequenos períodos de tempo provou ser extremamente difícil. Qualquer dispositivo de sincronização externo corre o risco de interferir no delicado processo quântico que está sendo estudado e alterar seu comportamento. “Embora o Prémio Nobel da Física de 2023 mostre que podemos aceder a tempos tão curtos, usar uma escala de tempo tão externa corre o risco de introduzir artefactos”, diz Diehl. “Este problema pode ser resolvido usando técnicas de interferência quântica baseadas no acoplamento entre a fase acumulada e o tempo.”
Uma nova maneira de medir o tempo sem relógio
Diehl e sua equipe desenvolveram um método que evita totalmente relógios externos. Quando os elétrons absorvem um fóton e são emitidos do material, eles carregam informações codificadas em seu spin. Esse spin muda dependendo de como a transição quântica se desenrola. Ao analisar cuidadosamente essas mudanças, os pesquisadores conseguiram determinar quanto tempo dura a transição.
Como explica o primeiro autor do estudo, Fei Guo, “esses experimentos não requerem uma referência externa ou relógio e fornecem a escala de tempo necessária para a evolução da função de onda do elétron desde seu estado inicial até seu estado final em uma energia mais alta após a absorção de um fóton”.
Como a interferência quântica revela a duração
Quando a luz excita um elétron, o processo não segue um único caminho. Vários caminhos quânticos são possíveis ao mesmo tempo e interferem uns nos outros. Este obstáculo deixa um rastro distinto atrás do elétron emitido. Ao investigar como esse padrão de spin muda à medida que a energia do elétron muda, a equipe foi capaz de calcular quanto tempo demorou a transição.
Para fazer essas medições, os pesquisadores usaram uma técnica conhecida como “espectroscopia de fotoemissão com resolução de spin e ângulo” (SARPES). Nesta técnica, intensa luz síncrotron incide sobre um material, elevando seus elétrons a uma energia mais elevada e fazendo com que escapem da estrutura do material. Os cientistas então medem a energia, a direção e o spin dos elétrons emitidos.
Como a estrutura atômica afeta o tempo quântico
A equipe testou materiais com arranjos de átomos muito diferentes. Alguns eram completamente tridimensionais, como o cobre comum. Outros, incluindo o disseleneto de titânio (TiSe₂) e o ditelureto de titânio (TiTe₂), consistem em camadas fracamente ligadas que se comportam mais como folhas planas. O telureto de cobre (CuTe) tem uma estrutura atômica em forma de cadeia ainda mais simples. Esses contrastes tornaram os materiais ideais para estudar como a geometria afeta o tempo.
Os resultados revelaram um padrão consistente. Quanto mais simples e menor for a estrutura atômica do material, mais tempo durará a transição quântica. No cobre tridimensional, a transição foi extremamente rápida, demorando cerca de 26 attossegundos.
No material em camadas TiSe₂ e TiTe₂, o mesmo processo desacelerou para 140-175 attossegundos. No CuTe com sua estrutura em cadeia, o tempo de transição ultrapassou 200 attosegundos. Estas descobertas mostram que a forma do material à escala atómica tem um forte efeito na taxa a que o evento quântico se desenrola, e estruturas com menor simetria levam a tempos de transição mais longos.
O que isso significa para a compreensão do tempo quântico
“Além de fornecer informações fundamentais para a compreensão do que determina o atraso da fotoemissão, nossos resultados experimentais fornecem informações adicionais sobre quais fatores afetam o tempo no nível quântico, até que ponto as transições quânticas podem ser consideradas instantâneas e podem abrir caminho para uma compreensão definitiva do papel do tempo na mecânica quântica”, explica Dill.
Além de aprofundar a nossa compreensão do tempo na física quântica, o trabalho oferece uma nova ferramenta para estudar como os elétrons se comportam em materiais complexos. Saber quanto tempo dura uma transição quântica pode ajudar os cientistas a projetar materiais com propriedades quânticas individuais e apoiar tecnologias futuras que dependem do controle preciso dos estados quânticos.
Outros participantes
- Centro de Lausanne para Ciência Ultrarrápida (LACUS)
- Instituto Paul Scherer
- CY Universidade de Paris Sergi
- Universidade Paris-Saclay
- Universidade da Boêmia Ocidental
- Universidade de Tóquio
