“O conceito de tempo tem atormentado filósofos e físicos há milhares de anos, e o advento da mecânica quântica não simplificou o problema,” afirma o Professor Hugo Dil, físico do EPFL. “O problema central é o papel geral do tempo na mecânica quântica, especialmente a escala de tempo associada a uma transição quântica.”
Em escalas extremamente pequenas, os processos físicos se desenrolam a velocidades impressionantes. Eventos como tunelamento ou a mudança de um elétron para um novo estado de energia após absorver luz podem ocorrer em apenas algumas dezenas de attossegundos (10^-18 segundos). Esse intervalo é tão breve que até mesmo a luz não conseguiria atravessar a largura de um pequeno vírus durante esse tempo.
Por Que Medir o Tempo Quântico É Tão Difícil
Rastrear fatias tão minúsculas de tempo provou ser extremamente desafiador. Qualquer dispositivo de temporização externo corre o risco de interferir no frágil processo quântico em estudo e mudar seu comportamento. “Embora o prêmio Nobel de Física de 2023 mostre que podemos acessar tempos tão curtos, o uso de uma escala de tempo externa corre o risco de induzir artefatos,” diz Dil. “Esse desafio pode ser resolvido usando métodos de interferência quântica, baseados na relação entre fase acumulada e tempo.”
Uma Nova Maneira de Medir o Tempo Sem um Relógio
Dil e sua equipe desenvolveram agora um método que evita completamente relógios externos. Quando elétrons absorvem um fóton e são emitidos de um 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 a transição dura.
Como explica o autor principal do estudo, Fei Guo, “Esses experimentos não requerem uma referência externa, ou relógio, e fornecem a escala de tempo necessária para que a função de onda do elétron evolua de um estado inicial para um 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. Múltiplos caminhos quânticos são possíveis ao mesmo tempo, e eles interferem uns com os 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 varia, a equipe poderia calcular quanto tempo a transição levou.
Para realizar essas medições, os pesquisadores usaram um método conhecido como “espectroscopia de fotoemissão resolvida em spin e ângulo” (SARPES). Nesta técnica, luz sincrotrônica intensa atinge um material, elevando seus elétrons a energias mais altas e forçando-os a escapar da estrutura do material. Em seguida, os cientistas 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 muito diferentes. Alguns eram totalmente tridimensionais, como o cobre comum. Outros, como disseleniato de titânio (TiSe₂) e ditelureto de titânio (TiTe₂), são compostos por camadas fracamente conectadas que se comportam mais como folhas planas. O telureto de cobre (CuTe) tem uma estrutura atômica ainda mais simples e em cadeia. Esses contrastes tornaram os materiais ideais para estudar como a geometria influencia o tempo.
Os resultados revelaram um padrão consistente. Quanto mais simples e reduzida a estrutura atômica de um material, mais longa a transição quântica durou. No cobre tridimensional, a transição foi extremamente rápida, levando cerca de 26 attossegundos.
Nos materiais em camadas TiSe₂ e TiTe₂, o mesmo processo desacelerou para entre 140 e 175 attossegundos. No CuTe, com sua estrutura em cadeia, a transição excedeu 200 attossegundos. Essas descobertas mostram que a forma em escala atômica de um material afeta fortemente a rapidez com que um evento quântico se desenrola, com estruturas de menor simetria levando a tempos de transição mais longos.
O Que Isso Significa Para Compreender o Tempo Quântico
“Além de fornecer informações fundamentais para entender o que determina o atraso de tempo na fotoemissão, nossos resultados experimentais oferecem mais insights sobre quais fatores influenciam o tempo no nível quântico, até que ponto as transições quânticas podem ser consideradas instantâneas, e podem abrir caminho para finalmente entender o papel do tempo na mecânica quântica,” explica Dil.
Além de aprofundar 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 uma transição quântica dura pode ajudar cientistas a projetar materiais com propriedades quânticas personalizadas e apoiar tecnologias futuras que dependem do controle preciso de estados quânticos.
Outros colaboradores
- Centro de Ciência Ultrafast de Lausanne (LACUS)
- Instituto Paul Scherrer
- CY Cergy Paris Université
- Université Paris-Saclay
- Universidade da Boêmia Ocidental
- Universidade de Tóquio