Físicos descobrem o que controla a velocidade do tempo quântico

Nas escalas mais pequenas, os processos físicos desenrolam-se a velocidades surpreendentes. Eventos como tunelamento ou mudança de um elétron para um novo estado de energia após absorver luz podem acontecer em apenas algumas dezenas de attossegundos (10-18 segundos). Esse intervalo é tão breve que nem mesmo a luz atravessaria a extensão de um pequeno vírus durante esse período.

Por que medir o tempo quântico é tão difícil

Acompanhar esses pequenos períodos de tempo tem se mostrado extremamente desafiador. Qualquer dispositivo de cronometragem externo corre o risco 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 aceder a tempos tão curtos, a utilização de uma escala de tempo tão externa corre o risco de induzir artefactos”, diz Dil. “Esse 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 evita completamente relógios externos. Quando os elétrons absorvem um fóton e são emitidos por um material, 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 dura a transição.

Como explica o primeiro autor do estudo, Fei Guo, “Esses experimentos não requerem uma 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 uma energia mais alta após a absorção de fótons.”

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 varia, a equipe pôde calcular quanto tempo demorou 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 intensa luz síncrotron atinge um material, impulsionando seus elétrons para uma energia mais elevada 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 arranjos atômicos muito diferentes. Alguns eram totalmente 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 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 influencia 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 desacelerou para entre 140 e 175 attossegundos. No CuTe, com sua estrutura em cadeia, a transição ultrapassou 200 attosegundos. 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 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 para a compreensão do que determina o atraso na fotoemissão, nossos resultados experimentais fornecem mais informações 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 compreender o papel do tempo na mecânica quântica”, explica Dil.

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 personalizadas e apoiar tecnologias futuras que dependem do controle preciso dos estados quânticos.

Outros contribuidores

• Centro de Lausanne para Ciência Ultrarrápida (LACUS)
• Instituto Paul Scherrer
• CY Cergy Universidade de Paris
• Universidade Paris-Saclay
• Universidade da Boêmia Ocidental
• A Universidade de Tóquio