No domínio subatómico, processos físicos podem ocorrer em intervalos de tempo tão curtos que desafiam qualquer cronómetro convencional. Uma equipa internacional liderada por investigadores da Escola Politécnica Federal de Lausanne (EPFL), na Suíça, apresentou agora um método que elimina a necessidade de um relógio externo para medir a duração dessas transições quânticas, abrindo caminho para um entendimento mais rigoroso da dinâmica eletrónica em materiais.
Medição baseada em fótons reemitidos
Quando um material é iluminado, os seus eletrões absorvem fotões e transitam para níveis de energia superiores. Em seguida, o sistema reemite novos fotões que transportam informações no seu spin. O grupo de pesquisa demonstrou que a evolução desse spin, analisada em função da energia do eletrão, contém todos os dados necessários para calcular o tempo despendido no salto eletrónico, sem recorrer a qualquer referência temporal externa.
De acordo com o professor Hugo Dil, responsável pelo estudo, a abordagem responde a uma questão fundamental colocada desde o início da mecânica quântica: qual o papel do tempo durante uma transição de estado? «Conseguimos quantificar a duração sem depender de um “tic-tac” clássico, algo essencial quando se lida com escalas de attossegundos», afirmou o físico.
Teste em materiais com geometrias distintas
Para verificar a robustez do método, foram analisados quatro materiais com estruturas cristalinas contrastantes. O cobre, com organização tridimensional densa, serviu como exemplo de rede compacta. Já o disseleneto de titânio (TiSe2) e o ditelureto de titânio (TiTe2) representam sistemas em camadas, enquanto o telureto de cobre (CuTe) apresenta ligações predominantemente unidimensionais.
Os resultados revelam uma variação clara na escala temporal das transições fotoelétricas:
- Cobre (3D): aproximadamente 26 attossegundos.
- TiSe2 (estruturas em camadas): cerca de 140 attossegundos.
- TiTe2 (estruturas em camadas): perto de 200 attossegundos.
- CuTe (cadeias unidimensionais): acima de 200 attossegundos.
Segundo Fei Guo, primeiro autor dos ensaios laboratoriais, o padrão observado indica que a complexidade da rede atómica acelera a transição. «Quanto mais interligações tridimensionais, mais rápido o processo ocorre», explicou, salientando que a técnica não exige calibração externa.
Imagem: imagem ilustrativa
Implicações para física e engenharia de materiais
A capacidade de determinar a duração exata de um processo quântico sem recorrer a um relógio clássico tem várias repercussões. Primeiro, fornece um instrumento crítico para testar modelos teóricos que descrevem a evolução temporal da função de onda. Além disso, a metodologia pode auxiliar no desenvolvimento de materiais com propriedades eletrónicas sintonizadas, como semicondutores de alta velocidade ou dispositivos fotónicos que dependem de controle preciso dos estados quânticos.
Do ponto de vista tecnológico, compreender o “tempo interno” das transições eletrónicas é essencial para projetar circuitos quânticos, lasers ultrarrápidos e sensores de nova geração. Por enquanto, a equipa pretende aplicar o protocolo a outros sistemas, incluindo compostos orgânicos e heteroestruturas bidimensionais, para verificar se o mesmo comportamento temporal se reproduz em cenários de maior complexidade química.
Próximos passos da investigação
Os investigadores planeiam combinar a técnica de medição de spin com simulações de dinâmica quântica a fim de mapear, em detalhe, a trajetória do eletrão do estado inicial ao final. Outra meta consiste em explorar temperaturas extremas e campos magnéticos intensos, condições que podem alterar significativamente a cronologia das transições.
Embora a nova metodologia ainda esteja restrita a equipamentos de laboratório com resolução atto-segundo, o avanço demonstra que é possível desvincular a contagem do tempo de um relógio macroscópico quando se observa o mundo quântico. Esse passo poderá ser decisivo para decifrar enigmas sobre a simetria temporal e, em última instância, para integrar fenômenos quânticos ultrarrápidos em aplicações industriais.
