“O conceito de tempo tem preocupado filósofos e físicos há milhares de anos, e o advento da mecânica quântica não simplificou o problema”, disse o professor Hugo Dil, físico da EPFL. “A questão central é o papel geral do tempo na mecânica quântica e, em particular, as escalas de tempo associadas às transições quânticas.”
Na menor escala, 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 segundos (10–18 s). Este intervalo é tão curto que mesmo a luz não viajaria através da largura de um pequeno vírus nesse período.
Por que o tempo quântico é tão difícil de medir?
Acompanhar esse pequeno período de tempo tem se mostrado extremamente desafiador. Qualquer dispositivo de cronometragem externo corre o risco de interferir no estudo do frágil processo quântico e alterar seu comportamento. “Embora o Prémio Nobel da Física de 2023 mostre que podemos aceder a escalas de tempo tão curtas, a utilização de tais escalas de tempo externas corre o risco de induzir artefactos”, diz Dil. “Este desafio pode ser resolvido usando métodos de interferência quântica baseados na ligação entre a fase acumulada e o tempo.”
Uma nova maneira de medir o tempo sem relógio
Dil e sua equipe desenvolveram agora um método que ignora totalmente os relógios externos. Quando os elétrons absorvem um fóton e são emitidos por um elemento, eles carregam informações codificadas em seu spin. Esse giro muda dependendo de como a transição quântica se desenrola. Ao analisar cuidadosamente essas mudanças, os pesquisadores conseguiram determinar quanto tempo durou a transição.
“Esses experimentos não requerem referência externa ou relógio e fornecem a escala de tempo necessária para que a função de onda do elétron evolua do estado inicial para o estado final em alta energia após a absorção de fótons”, explicou Fei Guo, primeiro autor do estudo.
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. Essa interferência deixa uma assinatura clara no spin do elétron emitido. 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 realizar essas medições, os pesquisadores utilizaram um método conhecido como “espectroscopia de fotoemissão com resolução de spin e ângulo” (SARPES). Nesta técnica, a luz síncrotron intensa atinge um material, elevando seus elétrons a energias mais altas e 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 sistemas atômicos muito diferentes. Alguns eram completamente tridimensionais, como o cobre comum. Outros, incluindo o disseleneto de titânio (TiSe₂) e o ditelureto de titânio (TiTe₂), são feitos de camadas fracamente conectadas que se comportam como folhas planas. O telureto de cobre (CuTe) tem uma estrutura atômica mais simples, semelhante a uma cadeia. Esses contrastes tornam os materiais ideais para estudar como a geometria afeta o tempo.
Os resultados revelaram um padrão consistente. Quanto mais simples e reduzida for a estrutura atômica de um material, mais tempo durará a transição quântica. No cobre tridimensional, a transição foi extremamente rápida, demorando cerca de 26 attossegundos.
Nos materiais em camadas TiSe₂ e TiTe₂, o mesmo processo é retardado entre 140 e 175 attossegundos. No CuTe, com sua estrutura em cadeia, a transição ultrapassou 200 attosegundos. Esses resultados mostram que a forma em escala atômica de um material afeta fortemente a rapidez com que um evento quântico se desenrola, com estruturas de simetria mais baixas resultando em 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 das fotoemissões, nossos resultados experimentais fornecem mais informações sobre o que influencia o tempo no nível quântico, até que ponto as transições quânticas podem ser consideradas instantâneas e podem, em última análise, abrir caminho para a compreensão do papel do tempo na mecânica quântica.”
Além de aprofundar a nossa compreensão do tempo na física quântica, o trabalho fornece uma nova ferramenta para estudar como os elétrons se comportam na matéria complexa. Saber quanto tempo duram as transições quânticas pode ajudar os cientistas a projetar materiais com propriedades quânticas adequadas às tecnologias futuras que dependem do controle preciso dos estados quânticos.
Outros contribuidores
- Centro de Lausanne para Ciência Ultrarrápida (LACUS)
- Instituto Paul Scherer
- CY Universidade Sergi de Paris
- Universidade de Paris-Saclay
- Universidade da Boêmia Ocidental
- Universidade de Tóquio
