Jesús Hellín - Europa Press - Arquivo
MADRID 6 fev. (EUROPA PRESS) - Físicos da Escola Politécnica Federal de Lausanne (EPFL), na Suíça, lideram uma pesquisa que desenvolveu uma forma de medir com precisão o tempo em eventos quânticos, conforme publicado na revista Newton.
“O conceito de tempo tem preocupado filósofos e físicos há milhares de anos, e o advento da mecânica quântica não simplificou o problema”, observa o professor Hugo Dil, físico da EPFL. “O problema central é o papel geral do tempo na mecânica quântica e, em especial, a escala de tempo associada a uma transição quântica”. Eventos quânticos, como o efeito túnel ou a mudança de estado de um elétron ao absorver um fóton, ocorrem a velocidades surpreendentes. Alguns duram apenas algumas dezenas de attossegundos (10-18 segundos), um tempo tão curto que a luz nem mesmo atravessaria a largura de um vírus pequeno. Mas medir intervalos de tempo tão pequenos é notoriamente difícil, também porque qualquer ferramenta de cronometragem externa pode distorcer precisamente o que queremos observar. “Embora o Prêmio Nobel de Física de 2023 demonstre que podemos acessar tempos tão curtos, o uso de uma escala de tempo externa tão grande corre o risco de induzir artefatos”, ressalta Dil. “Esse desafio pode ser resolvido por meio de métodos de interferência quântica, baseados na relação entre a fase acumulada e o tempo”.
Dil liderou esta investigação que desenvolveu uma forma de medir com precisão o tempo em eventos quânticos. Quando os elétrons absorvem um fóton e abandonam um material, transportam informação na forma do seu spin, que muda consoante o desenvolvimento do processo quântico subjacente. Ao interpretar estas pequenas mudanças, os investigadores conseguiram inferir a duração da transição, sem necessidade de utilizar um relógio externo.
“Essas experiências 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 com uma energia mais alta após a absorção de fótons”, explicam os autores. O princípio é o seguinte: quando a luz excita um elétron, ele pode seguir várias rotas quânticas diferentes ao mesmo tempo. Essas trajetórias interferem entre si, e essa interferência se manifesta como um padrão específico no spin do elétron emitido. Ao estudar como esse padrão de spin muda com a energia do elétron, a equipe conseguiu calcular a duração da transição. Para o estudo, os pesquisadores utilizaram uma técnica chamada “espectroscopia de fotoemissão com resolução de spin e ângulo” (SARPES). A SARPES consiste em projetar luz síncrotron intensa sobre um material, o que impulsiona seus elétrons para uma energia maior, forçando-os a sair da estrutura do material. Posteriormente, mede-se a energia, a direção e o spin dos elétrons que saem. Eles testaram materiais com diferentes “formas” em nível atômico. Alguns são completamente tridimensionais, como o cobre comum. Outros, como o diseleneto de titânio (TiSe2) e o ditelureto de titânio (TiTe2), são construídos a partir de camadas fracamente conectadas e se comportam mais como lâminas planas. O telureto de cobre (CuTe) tem uma estrutura ainda mais simples, semelhante a uma corrente. Essas diferenças os tornam ideais para testar como a geometria afeta o tempo. Os resultados mostraram um padrão claro: quanto mais simples e reduzida era a estrutura do material, mais prolongada era a transição quântica. No cobre 3D comum, a transição foi extremamente rápida, com duração de aproximadamente 26 attossegundos. Nos materiais de duas camadas, TiSe2 e TiTe2, o processo ficou notavelmente mais lento, em torno de 140-175 attossegundos. No CuTe, que apresenta uma estrutura semelhante a uma cadeia, a transição se prolongou por mais de 200 attossegundos. Isso significa que a forma em escala atômica do material influencia consideravelmente a rapidez com que o evento quântico se desenvolve, já que estruturas com menor simetria produzem tempos de transição mais longos.
Dil explica: “Além de fornecer informações fundamentais para compreender o que determina o atraso temporal na fotoemissão, nossos resultados experimentais proporcionam uma maior compreensão dos fatores que influenciam o tempo em 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”.
As descobertas oferecem aos físicos uma nova maneira de compreender o comportamento do tempo nos processos quânticos. Elas também fornecem uma ferramenta para analisar como os elétrons interagem em materiais complexos. Saber a duração de uma transição quântica pode ajudar os cientistas a projetar materiais com características quânticas específicas e a melhorar as tecnologias futuras baseadas no controle preciso dos estados quânticos.
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