La LUZ incide sobre el cobre, se escapa un electrón. Todo termina en 26 attosegundos: tan rápido que ni siquiera la luz, viajando a su límite de velocidad cósmica, cruzaría el ancho de un virus pequeño. Sabemos desde hace décadas que los eventos cuánticos ocurren tan rápidamente, pero hasta ahora no sabíamos qué hace que algunos duren más que otros.
Resulta que la forma importa. La arquitectura atómica de un material (ya sea que forme ordenadas redes tridimensionales o se apile en láminas planas o se encadene a lo largo de cadenas) determina la rapidez con la que los electrones pueden liberarse cuando son impactados por la luz. Los materiales con estructuras más simples y restringidas ralentizan el proceso. En el caso más extremo que probaron los investigadores, los electrones en un material en forma de cadena tardaron ocho veces más en escapar que los del cobre ordinario.
No se trata sólo de velocidad. El tiempo ha sido el incómodo problema de la mecánica cuántica desde que comenzó este campo; lo usamos constantemente pero lo entendemos mal. “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”, dice Hugo Dil, físico de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne de Suiza. Las mediciones de su equipo sobre cuánto duran realmente las transiciones cuánticas podrían ayudar a resolver este enigma de casi un siglo de antigüedad.
El desafío de medir el tiempo cuántico es que cualquier reloj externo corre el riesgo de perturbar lo que estás tratando de observar. Es como intentar medir el tiempo que tarda una pompa de jabón en estallar arrojándole cronómetros. El Nobel de Física de 2023 reconoció técnicas que pueden probar estas escalas de tiempo de attosegundos, pero requieren comparación con puntos de referencia externos.
El grupo de Dil encontró una manera de solucionar este problema leyendo información ya codificada en los propios electrones. Cuando la luz excita un electrón y lo expulsa de un material, ese electrón se lleva una especie de marca de tiempo cuántica en su espín, la propiedad que hace que los electrones se comporten como pequeños imanes. El giro cambia dependiendo de cómo se desarrolla la transición cuántica, y estos cambios revelan la duración sin necesidad de ningún reloj externo.
El principio se basa en la interferencia cuántica. La luz que incide sobre un electrón puede empujarlo a lo largo de varias vías cuánticas diferentes a la vez, y estas vías interfieren entre sí como ondas superpuestas en un estanque. Esa interferencia se muestra como un patrón específico en el espín del electrón emitido. Al medir cómo este patrón de espín cambia con la energía de los electrones, los investigadores pudieron calcular cuánto duró la transición.
Probaron esta técnica en materiales con estructuras atómicas cada vez más restringidas. El cobre ordinario es completamente tridimensional y sus átomos están dispuestos en una red abierta. El diseleniuro de titanio y el ditelluuro de titanio son materiales en capas: considérelos como pilas de papel atómico, débilmente unidos. El telururo de cobre es aún más restringido, con átomos encadenados a lo largo de cadenas.
El patrón era claro y sorprendente. En el cobre tridimensional, los electrones escaparon en aproximadamente 26 attosegundos. En los materiales en capas, esto se extendió a 140-175 attosegundos. En el telururo de cobre en forma de cadena, las transiciones duraron más de 200 attosegundos. Si se reduce la simetría de la estructura de un material, se ralentizan sus transiciones cuánticas.
Trabajos anteriores habían insinuado algo como esto. Un estudio de 2017 encontró que el superconductor de alta temperatura BSCCO, un material cuasi bidimensional en capas, mostraba tiempos de transición de alrededor de 120 attosegundos, mucho más largos que los 26 del cobre. Los investigadores se habían preguntado si esto reflejaba las fuertes interacciones electrónicas del material. Pero los nuevos resultados sugieren que la dimensionalidad podría ser el factor más fundamental.
La conexión tiene una especie de sentido. En la física en fase gaseosa, la asimetría en el entorno que queda después de que un electrón escapa puede tirar de la partícula que sale y ralentizarla. Algo similar podría estar sucediendo en los sólidos, donde el grado de simetría se manifiesta en cuántas dimensiones habita la estructura cristalina. Cuanto más restringida sea la estructura (menos planos de espejo, menos libertad de movimiento), más compleja será la salida.
Estas no son sólo medidas abstractas. Saber cuánto duran las transiciones cuánticas podría ayudar a diseñar materiales con propiedades cuánticas específicas o mejorar tecnologías que dependen del control preciso de los estados cuánticos. Y proporcionan una nueva herramienta para sondear las interacciones de los electrones en materiales complejos, ya que la técnica funciona sin referencias temporales externas que podrían introducir distorsiones.
Más fundamentalmente, el trabajo resuelve uno de los enigmas más antiguos de la física. La mecánica cuántica utiliza el tiempo constantemente (cada ecuación depende de él) pero lo trata de manera diferente a otras cantidades como la posición o el momento. Comprender qué hace que algunos eventos cuánticos duren más que otros podría eventualmente aclarar el peculiar papel del tiempo en el mundo cuántico. Queda por ver si una transición cuántica realmente lleva tiempo o si la duración surge de algo completamente distinto. Pero ahora al menos podemos medir la diferencia entre rápido y lento y ver qué nos dice eso.
Enlace del estudio: https://arxiv.org/abs/2506.01476
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