Físicos de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), en Suiza, lideran una investigación que ha conseguido medir con precisión la duración de eventos cuánticos ultrarrápidos sin recurrir a relojes externos, uno de los grandes retos históricos de la física moderna. El estudio, publicado en la revista Newton, aporta una nueva perspectiva para comprender cómo opera el tiempo a escala cuántica.
“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”, explicó Hugo Dil, profesor de la EPFL y responsable del proyecto. El desafío, detalló, radica en determinar la escala temporal de procesos como el efecto túnel o el cambio de estado de un electrón al absorber un fotón, fenómenos que ocurren en apenas unas decenas de attosegundos, lapsos tan breves que la luz no podría atravesar siquiera el tamaño de un virus.
Medir intervalos tan pequeños resulta complejo porque cualquier instrumento externo puede alterar el fenómeno observado. Aunque avances recientes —como los reconocidos con el Premio Nobel de Física 2023— han permitido acceder a estas escalas, el uso de referencias temporales externas puede introducir distorsiones. Para superar este obstáculo, el equipo suizo recurrió a métodos de interferencia cuántica, que relacionan la fase acumulada de una función de onda con el tiempo.
La clave del nuevo enfoque es que, cuando un electrón absorbe un fotón y es expulsado de un material, transporta información en su espín. Este cambia de forma sutil según cómo se desarrolla el proceso cuántico. Al analizar esas variaciones, los investigadores lograron inferir la duración de la transición sin necesidad de un reloj externo.
El principio se basa en que un electrón excitado puede seguir múltiples rutas cuánticas simultáneamente. Estas rutas interfieren entre sí y generan un patrón específico en el espín del electrón emitido. Al estudiar cómo varía ese patrón con la energía, los científicos pudieron calcular el tiempo que tarda la transición.
Para ello utilizaron la técnica conocida como espectroscopia de fotoemisión con resolución de espín y ángulo (SARPES), que emplea luz de sincrotrón para excitar electrones y medir posteriormente su energía, dirección y espín. El método se probó en materiales con distintas geometrías atómicas: desde el cobre tridimensional, hasta materiales en capas como el diseleniuro y ditelururo de titanio, y estructuras casi unidimensionales como el telururo de cobre.
Los resultados revelaron un patrón claro: cuanto más simple y menos simétrica es la estructura del material, más prolongada resulta la transición cuántica. En el cobre convencional, el proceso duró alrededor de 26 attosegundos; en materiales de dos capas, entre 140 y 175 attosegundos; y en el CuTe, más de 200 attosegundos.
Según Dil, estos hallazgos no solo aportan información fundamental sobre qué determina los retrasos temporales en la fotoemisión, sino que también ayudan a responder hasta qué punto las transiciones cuánticas pueden considerarse instantáneas. Además, el avance podría facilitar el diseño de materiales con propiedades cuánticas específicas y mejorar futuras tecnologías basadas en el control preciso de los estados cuánticos.
Con este método, los físicos cuentan ahora con una nueva herramienta para explorar uno de los conceptos más esquivos de la ciencia: el tiempo, en su expresión más extrema y fundamental.