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

Físicos de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), en Suiza, encabezan una investigación que ha logrado desarrollar un método para medir con gran precisión el tiempo implicado en los eventos cuánticos, según recoge la publicación Newton. El trabajo aborda uno de los problemas más persistentes de la física moderna: cómo definir y cuantificar el tiempo en el ámbito de la mecánica cuántica.

«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», señala el profesor Hugo Dil, físico de la EPFL y responsable principal del estudio. En este contexto, el investigador subraya que «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 fenómenos cuánticos, como el efecto túnel o el salto de un electrón entre estados energéticos tras absorber un fotón, se producen a velocidades extremadamente elevadas. Algunos de estos procesos duran apenas unas decenas de attosegundos, es decir, del orden de 10⁻¹⁸ segundos, un intervalo tan breve que la luz ni siquiera recorrería el diámetro de un virus de pequeño tamaño. Esta escala temporal plantea enormes dificultades experimentales, ya que medir tiempos tan cortos sin alterar el fenómeno observado es un reto tecnológico y conceptual de primer orden.

En este sentido, Dil advierte que «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». Por ello, añade que «este desafío puede resolverse mediante métodos de interferencia cuántica, basados en la relación entre la fase acumulada y el tiempo».

La investigación liderada por la EPFL ha propuesto precisamente una solución que evita el uso de relojes externos. Cuando los electrones absorben un fotón y son emitidos desde un material, transportan información codificada en su espín. Este espín varía en función de cómo se desarrolla el proceso cuántico subyacente. Analizando cuidadosamente esas variaciones, los científicos lograron deducir la duración de la transición cuántica sin necesidad de recurrir a un sistema de cronometraje 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», explican los autores del trabajo. El principio físico es relativamente sencillo en su planteamiento, aunque complejo en su ejecución: cuando la luz excita un electrón, este puede recorrer simultáneamente varias trayectorias cuánticas. La interferencia entre estas rutas deja una huella observable en el patrón de espín del electrón emitido. Al estudiar cómo varía ese patrón con la energía, el equipo pudo calcular con precisión la duración del proceso.

Para llevar a cabo el experimento, los investigadores emplearon una técnica conocida como espectroscopia de fotoemisión con resolución de espín y ángulo, o SARPES. Este método consiste en irradiar un material con luz de sincrotrón de alta intensidad, lo que expulsa electrones de su estructura interna. Posteriormente, se analizan parámetros como la energía, la dirección de salida y el espín de dichos electrones.

El estudio incluyó materiales con distintas geometrías a escala atómica. Algunos, como el cobre convencional, presentan una estructura tridimensional. Otros, como el diseleniuro de titanio y el ditelururo de titanio, están formados por capas débilmente unidas, lo que les confiere un comportamiento casi bidimensional. El telururo de cobre, por su parte, muestra una estructura aún más simple, similar a una cadena. Estas diferencias permitieron analizar cómo la geometría influye en la duración de las transiciones cuánticas.

Los resultados revelaron una tendencia clara. En el cobre tridimensional, la transición fue extremadamente rápida, con una duración aproximada de 26 attosegundos. En los materiales de estructura en capas, el proceso se ralentizó hasta situarse entre 140 y 175 attosegundos. En el CuTe, con su geometría tipo cadena, la transición superó los 200 attosegundos. De este modo, quedó patente que las estructuras atómicas de menor simetría tienden a producir tiempos de transición más largos.

Según Dil, «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».

En conjunto, estos hallazgos ofrecen a la comunidad científica una nueva herramienta para explorar el comportamiento temporal de los procesos cuánticos y para analizar con mayor detalle la interacción de los electrones en materiales complejos. Comprender cuánto dura una transición cuántica no solo tiene un valor teórico, sino que también puede resultar clave para el diseño de nuevos materiales y para el desarrollo de tecnologías futuras basadas en el control preciso de los estados cuánticos.