Descubren que el “tiempo cuántico” cambia según el material y nuestra idea de eventos instantáneos

Buenos Aires-(Nomyc)-El tiempo parece una magnitud sencilla en la vida cotidiana: los relojes avanzan, los procesos ocurren y las causas preceden a los efectos, aunque sin embargo, cuando se observa lo que sucede en el interior de la materia, esa intuición empieza a resquebrajarse y en el mundo cuántico, donde los electrones cambian de estado y la energía se intercambia en escalas extremas, aunque ni siquiera está claro cuánto “dura” un proceso elemental.

Ahora, un nuevo estudio experimental publicado en la revista “Newton” trata esta cuestión desde una perspectiva poco habitual y el trabajo, demuestra que el tiempo asociado a una transición cuántica no es universal, sino que depende de la simetría y la estructura del material en el que ocurre y el resultado, desafía la idea asumida hasta ahora, de que ciertos procesos cuánticos son casi instantáneos y abre una vía experimental para estudiar el tiempo sin recurrir a relojes externos.

El problema del tiempo en la mecánica cuántica: en mecánica cuántica, el tiempo ocupa un lugar incómodo, ya que a diferencia de la posición o la energía, no existe un operador tiempo equivalente, y su papel se introduce desde fuera del formalismo matemático, lo que a su vez, genera debates persistentes sobre si el tiempo es una magnitud fundamental o una herramienta emergente para describir la evolución de los sistemas.

Una de las preguntas clave es ¿cuánto dura una transición cuántica? Ya que cuando un electrón absorbe un fotón y pasa a un estado de mayor energía, la conservación de la energía impide que ese cambio sea estrictamente instantáneo. 

El propio artículo recuerda que “la conservación de la energía dicta que tales transiciones no pueden ser instantáneas”, situando su duración esperada en el rango de los attosegundos, es decir, millonésimas de millonésimas de segundo.

Medir intervalos tan breves plantea enormes dificultades experimentales, ya que los métodos más directos suelen requerir pulsos ultracortos que actúan como relojes externos, pero estos pueden alterar el propio proceso que se quiere medir, pero debido a esto, una parte importante de la investigación reciente se ha centrado en extraer información temporal sin imponer una referencia externa, algo que este trabajo logra de manera notable.

Medir el tiempo sin relojes externos: el enfoque del estudio, se basa en un concepto conocido como retraso temporal de Eisenbud-Wigner-Smith, una cantidad que relaciona el tiempo con el cambio de fase de una función de onda durante una transición y en lugar de medir el tiempo de manera directa, se analiza cómo varía una fase cuántica con la energía, y a partir de ahí se infiere una duración.

La innovación clave del trabajo, consiste en utilizar el Espín, una propiedad cuántica intrínseca, sensible a las interferencias entre distintos canales de transición, de los electrones emitidos como observable ya que cuando varios caminos cuánticos contribuyen al mismo proceso, su interferencia deja una huella medible en la polarización del espín.

Como señalan los autores, “estos experimentos no requieren una referencia externa, o reloj, y proporcionan la escala temporal necesaria para que la función de onda del electrón evolucione de un estado inicial a uno final a mayor energía tras la absorción de un fotón” según se lee en el paper, a modo de resumen de la ambición del método: medir el tiempo desde dentro del propio sistema cuántico.

El resultado es una estimación de la duración absoluta de la transición, no un simple retraso relativo entre dos procesos distintos, lo que marca una diferencia fundamental respecto a otras técnicas de cronoscopía de attosegundos.

El papel de la simetría y la dimensionalidad: una vez establecido el método, el estudio se centra en una pregunta concreta: ¿de qué depende la duración de una transición cuántica? y para responderla, los investigadores compararon materiales con distintas dimensionalidades efectivas, que funcionan como un indicador práctico del grado de simetría del sistema.

El trabajo analiza un metal tridimensional convencional, materiales en capas cuasi bidimensionales y un sistema cuasi unidimensional y la lógica es clara: a menor dimensionalidad, menor simetría cristalina y por tanto un entorno cuántico más restrictivo para los electrones.

Los resultados muestran una tendencia inequívoca: en cobre tridimensional, la transición dura unos de 26 attosegundos, una cifra extremadamente pequeña, mientras que en materiales cuasi bidimensionales, la duración aumenta hasta el entorno de 150 attosegundos y en el sistema cuasi unidimensional, el tiempo supera los 200 attosegundos.

Esta progresión no es marginal ni anecdótica: el propio artículo subraya que “se encuentra un vínculo directo entre la dimensionalidad, o más bien la simetría, del sistema y la escala temporal en attosegundos de la transición cuántica”, algo crucial porque desplaza el foco desde la interacción electrónica hacia la geometría fundamental del sistema.

Por qué la simetría cambia el tiempo: desde el punto de vista físico, la explicación se relaciona con el número de canales cuánticos disponibles y con la forma en que interfieren entre sí, ya que en un cristal muy simétrico, los electrones disponen de más grados de libertad equivalentes, lo que facilita transiciones más rápidas.

Cuando la simetría se reduce, las trayectorias posibles se restringen y la interferencia entre canales adquiere un papel más dominante, lo que se refleja de manera directa en la fase de la función de onda y, por tanto, en el tiempo extraído mediante el método del estudio.

El artículo interpreta este intervalo como “el tiempo asociado a la transición cuántica en sí: el intervalo necesario para que la función de onda evolucione de un estado inicial a uno final a mayor energía tras la absorción de un fotón”, definición que excluye otros efectos posteriores, como el transporte del electrón fuera del material, y se centra en el núcleo del proceso cuántico.

De este modo, el tiempo deja de ser una magnitud abstracta para convertirse en una “propiedad emergente” del sistema material concreto, aunque no todos los electrones “tardan lo mismo” en cambiar de estado: depende de dónde estén y de cómo esté organizada la materia que los rodea.

Implicaciones para la física fundamental y los materiales: más allá del resultado específico, el estudio ofrece una nueva herramienta conceptual y experimental, ya que medir tiempos cuánticos absolutos permite comparar materiales desde una perspectiva temporal, algo que hasta ahora resultaba inalcanzable con métodos convencionales.

Los autores destacan que estos resultados “proporcionan nueva información sobre el papel de la simetría en las escalas temporales cuánticas” y ayudan a evaluar hasta qué punto las transiciones pueden considerarse instantáneas, lo que tiene implicaciones directas para modelos teóricos que asumen cambios abruptos sin duración apreciable.

Además, la técnica podría utilizarse para caracterizar la intensidad de las interacciones electrónicas en materiales complejos, ya que en sistemas donde la simetría está rota de forma controlada, la duración de las transiciones podría convertirse en un indicador adicional del comportamiento colectivo de los electrones.

En un contexto más amplio, el trabajo refuerza la idea de que el tiempo en la mecánica cuántica no es un simple telón de fondo, sino una magnitud que emerge de la estructura y las propiedades del sistema físico. Entender cómo se genera y se manifiesta ese tiempo interno sigue siendo uno de los grandes retos conceptuales de la física moderna.

Nomyc-20-2-26