“O conceito de tempo tem intrigado filósofos e físicos há milhares de anos, e o advento da mecânica quântica não tornou o problema mais simples”, disse o professor Hugo Dil, físico da École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). “A questão central é o papel do tempo na mecânica quântica em geral e, em particular, nas escalas de tempo associadas aos saltos quânticos.”
Nas escalas mais pequenas, os processos físicos desenrolam-se a velocidades impressionantes. Eventos como o tunelamento, ou a transição de elétrons para novos estados de energia após a absorção de luz, podem ocorrer em apenas dezenas de attosegundos (10-18 segundos). Esse intervalo é tão curto que nem mesmo a luz consegue penetrar na largura do pequeno vírus durante esse período.
Por que medir o tempo quântico é tão difícil
Acompanhar esses pequenos períodos de tempo revelou-se extremamente desafiador. Qualquer dispositivo de temporização externo tem o potencial de interferir no frágil processo quântico que está sendo estudado e alterar seu comportamento. “Embora o Prémio Nobel da Física de 2023 mostre que podemos alcançar tempos tão curtos, usar essas escalas de tempo externas corre o risco de criar artefactos”, disse Diehl. “Este desafio pode ser enfrentado usando métodos de interferência quântica baseados na conexão entre fase cumulativa e tempo.”
Uma nova maneira de medir o tempo sem relógio
Dil e sua equipe desenvolveram agora uma maneira de evitar totalmente relógios externos. Quando os elétrons absorvem fótons e são emitidos do material, eles carregam informações codificadas em seu spin. A mudança no spin depende de como o salto quântico se desenrola. Ao analisar cuidadosamente essas mudanças, os pesquisadores conseguiram determinar quanto tempo durou essa mudança.
Como explica Fei Guo, primeiro autor do estudo, “Esses experimentos não requerem referência externa ou relógio e produzem a escala de tempo necessária para que a função de onda do elétron evolua de um estado inicial para um estado final com energia mais alta após a absorção de fótons.”
Como a interferência quântica revela a duração
Quando a luz excita os elétrons, o processo não segue um único caminho. É possível que vários caminhos quânticos existam simultaneamente e interfiram uns com os outros. Esta interferência deixa uma assinatura clara no spin do elétron emissor. Ao examinar como esse padrão de spin muda à medida que a energia do elétron muda, a equipe pode calcular quanto tempo leva a transição.
Para fazer essas medições, os pesquisadores usaram um método chamado espectroscopia de fotoelétrons com resolução de spin e ângulo (SARPES). Nesta técnica, a intensa luz síncrotron atinge um material, impulsionando seus elétrons para energias mais altas, forçando-os a escapar 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 atômicos radicalmente diferentes. Alguns são completamente tridimensionais, como o cobre puro. Outros materiais, incluindo o disseleneto de titânio (TiSe2) e o ditelureto de titânio (TiTe2), consistem em camadas fracamente conectadas que se comportam mais como folhas planas. O telureto de cobre (CuTe) tem uma estrutura atômica semelhante a uma cadeia mais simples. Esses contrastes tornam esses materiais ideais para estudar como a geometria afeta o tempo.
Os resultados mostraram um padrão consistente. Quanto mais simples e simplificada for a estrutura atômica do material, mais tempo durará o salto quântico. No cobre tridimensional, a transformação é muito rápida, demorando cerca de 26 attossegundos.
Nos materiais em camadas TiSe2 e TiTe2, o mesmo processo diminui para 140 a 175 attossegundos. CuTe tem uma estrutura semelhante a uma cadeia com um tempo de transição de mais de 200 attosegundos. Essas descobertas mostram que a forma em escala atômica de um material afeta fortemente a velocidade com que os eventos quânticos se desenrolam, com estruturas de simetria mais baixas levando a tempos de transição mais longos.
O que isso significa para a compreensão do tempo quântico
“Além de fornecer informações fundamentais sobre os fatores que determinam o atraso da emissão de luz, nossos resultados experimentais fornecem informações adicionais sobre quais fatores afetam o tempo no nível quântico, até que ponto os saltos quânticos podem ser considerados instantâneos e podem abrir caminho para uma eventual compreensão do papel do tempo na mecânica quântica”, explicou Diehl.
Além de aprofundar nossa compreensão do tempo na física quântica, este trabalho fornece uma nova ferramenta para estudar o comportamento dos elétrons em materiais complexos. Compreender quanto tempo duram os saltos quânticos pode ajudar os cientistas a projetar materiais com propriedades quânticas personalizadas e apoiar tecnologias futuras que dependem do controle preciso dos estados quânticos.
Outros contribuidores
- Centro de Lausanne para Ciências Ultrarrápidas (LACUS)
- Instituto Paul Scherrer
- Universidade de Paris Cergy
- Universidade de Paris-Saclay
- Universidade da Boêmia Ocidental
- Universidade de Tóquio
