Οι φυσικοί επιστήμονες ανακαλύπτουν τι ελέγχει την ταχύτητα του κβαντικού χρόνου

Ο χρόνος μπορεί να φαίνεται ομαλός και συνεχής, αλλά σε κβαντικό επίπεδο συμπεριφέρεται πολύ διαφορετικά. Οι φυσικοί επιστήμονες έχουν ανακαλύψει εσχάτως έναν τρόπο να μετρήσουν πόσο διαρκούν πραγματικά τα υπερταχέα κβαντικά γεγονότα, χωρίς να βασίζονται σε κανένα εξωτερικό ρολόι.

Παρακολουθώντας ανεπαίσθητες αλλαγές στα ηλεκτρόνια καθώς απορροφούν φως και διαφεύγουν από ένα υλικό, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι αυτές οι μεταβάσεις δεν είναι στιγμιαίες και ότι η διάρκειά τους εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ατομική δομή του εμπλεκόμενου υλικού.

«Η έννοια του χρόνου έχει προβληματίσει τους φιλοσόφους και τους φυσικούς εδώ και χιλιάδες χρόνια και η έλευση της κβαντικής μηχανικής δεν έχει απλοποιήσει το πρόβλημα», λέει ο καθηγητής Hugo Dil, φυσικός στο EPFL. «Το κεντρικό πρόβλημα είναι ο γενικός ρόλος του χρόνου στην κβαντική μηχανική, και ιδιαίτερα η χρονική κλίμακα που σχετίζεται με μια κβαντική μετάβαση».

Σε μικρότερες κλίμακες, οι φυσικές διεργασίες εκτυλίσσονται με εκπληκτικές ταχύτητες. Γεγονότα όπως η διάνοιξη σήραγγας ή η μετατόπιση ενός ηλεκτρονίου σε μια νέα ενεργειακή κατάσταση μετά την απορρόφηση του φωτός μπορεί να συμβούν σε λίγες μόνο δεκάδες αττοδευτερόλεπτα (10-18 δευτερόλεπτα). Αυτό το διάστημα είναι τόσο σύντομο που ακόμη και το φως δεν θα ταξίδευε σε όλο το πλάτος ενός μικρού ιού κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου.

Γιατί η μέτρηση του κβαντικού χρόνου είναι τόσο δύσκολη

Η παρακολούθηση τέτοιων μικροσκοπικών κομματιών χρόνου έχει αποδειχθεί εξαιρετικά δύσκολη. Οποιαδήποτε εξωτερική συσκευή χρονισμού κινδυνεύει να παρέμβει στην εύθραυστη κβαντική διαδικασία που μελετάται και να αλλάξει τη συμπεριφορά της. «Αν και το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 2023 δείχνει ότι μπορούμε να έχουμε πρόσβαση σε τόσο σύντομους χρόνους, η χρήση μιας τέτοιας εξωτερικής χρονικής κλίμακας ενδέχεται να προκαλέσει τεχνουργήματα», λέει ο Dil. «Αυτή η πρόκληση μπορεί να επιλυθεί χρησιμοποιώντας μεθόδους κβαντικής παρεμβολής, με βάση τη σχέση μεταξύ συσσωρευμένης φάσης και χρόνου».

Ένας νέος τρόπος μέτρησης του χρόνου χωρίς ρολόι

Ο Dil και η ομάδα του έχουν πλέον αναπτύξει μια μέθοδο που αποφεύγει εντελώς τα παραδοσιακά ρολόγια. Όταν τα ηλεκτρόνια απορροφούν ένα φωτόνιο και εκπέμπονται από ένα υλικό, μεταφέρουν πληροφορίες κωδικοποιημένες στο σπιν τους. Αυτό το σπιν (σ.σ.: Στην φυσική το σπιν είναι η ιδιοστροφορμή των σωματιδίων. Πρόκειται για μια κβαντομηχανική ιδιότητα χωρίς αναλογία στην κλασική μηχανική) αλλάζει ανάλογα με το πώς ξεδιπλώνεται η κβαντική μετάβαση. Αναλύοντας προσεκτικά αυτές τις αλλαγές, οι ερευνητές μπόρεσαν να προσδιορίσουν πόσο διαρκεί η μετάβαση.

Όπως εξηγεί ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης Fei Guo, «Αυτά τα πειράματα δεν απαιτούν εξωτερική αναφορά ή ρολόι και αποδίδουν τη χρονική κλίμακα που απαιτείται για να εξελιχθεί η κυματοσυνάρτηση του ηλεκτρονίου από μια αρχική σε μια τελική κατάσταση σε υψηλότερη ενέργεια κατά την απορρόφηση φωτονίων».

Πώς η κβαντική παρεμβολή αποκαλύπτει τη διάρκεια

Όταν το φως διεγείρει ένα ηλεκτρόνιο, η διαδικασία δεν ακολουθεί μία μόνο διαδρομή. Πολλαπλές κβαντικές οδοί είναι δυνατές ταυτόχρονα και παρεμβαίνουν μεταξύ τους. Αυτή η παρεμβολή αφήνει μια σαφή υπογραφή στο σπιν του εκπεμπόμενου ηλεκτρονίου. Εξετάζοντας πώς αλλάζει αυτό το μοτίβο σπιν καθώς η ενέργεια του ηλεκτρονίου μεταβάλλεται, η ομάδα θα μπορούσε να υπολογίσει πόσο χρόνο χρειάστηκε η μετάβαση.

Για να πραγματοποιήσουν αυτές τις μετρήσεις, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια μέθοδο γνωστή ως «φασματοσκοπία φωτοεκπομπής με ανάλυση σπιν και γωνίας» (SARPES). Σε αυτή την τεχνική, το έντονο φως σύγχροτρον χτυπά ένα υλικό, ενισχύοντας τα ηλεκτρόνια του σε υψηλότερη ενέργεια και αναγκάζοντάς τα να ξεφύγουν από τη δομή του υλικού. Στη συνέχεια, οι επιστήμονες μετρούν την ενέργεια, την κατεύθυνση και το σπιν των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων.

Πώς η ατομική δομή επηρεάζει τον κβαντικό χρονισμό

Η ομάδα δοκίμασε υλικά με πολύ διαφορετικές ατομικές διατάξεις. Μερικά ήταν πλήρως τρισδιάστατα, όπως ο συνηθισμένος χαλκός. Άλλα, συμπεριλαμβανομένου του δισελενιδίου του τιτανίου (TiSe₂) και του διτελλουριδίου του τιτανίου (TiTe₂), είναι κατασκευασμένα από ασθενώς συνδεδεμένα στρώματα που συμπεριφέρονται περισσότερο σαν επίπεδα φύλλα. Το τελλουρίδιο του χαλκού (CuTe) έχει μια ακόμη απλούστερη ατομική δομή που μοιάζει με αλυσίδα. Αυτές οι αντιθέσεις έκαναν τα υλικά ιδανικά για τη μελέτη του τρόπου με τον οποίο η γεωμετρία επηρεάζει το χρονισμό.

Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν ένα σταθερό μοτίβο. Όσο απλούστερη και πιο μειωμένη είναι η ατομική δομή ενός υλικού, τόσο περισσότερο διαρκεί η κβαντική μετάβαση. Στον τρισδιάστατο χαλκό, η μετάβαση ήταν εξαιρετικά γρήγορη, διαρκώντας περίπου 26 attoseconds.

Στα πολυεπίπεδα υλικά TiSe₂ και TiTe₂, η ίδια διαδικασία επιβραδύνθηκε μεταξύ 140 και 175 attoseconds. Στο CuTe, με τη δομή που μοιάζει με αλυσίδα, η μετάβαση ξεπέρασε τα 200 attoseconds. Αυτά τα ευρήματα δείχνουν ότι το σχήμα ατομικής κλίμακας ενός υλικού επηρεάζει έντονα το πόσο γρήγορα εκτυλίσσεται ένα κβαντικό γεγονός, με δομές χαμηλότερης συμμετρίας που οδηγούν σε μεγαλύτερους χρόνους μετάβασης.

Τι σημαίνει αυτό για την κατανόηση του κβαντικού χρόνου

«Εκτός από την παροχή θεμελιωδών πληροφοριών για την κατανόηση του τι καθορίζει τη χρονική καθυστέρηση στη φωτοεκπομπή, τα πειραματικά μας αποτελέσματα παρέχουν περαιτέρω πληροφορίες για το ποιοι παράγοντες επηρεάζουν το χρόνο σε κβαντικό επίπεδο, σε ποιο βαθμό οι κβαντικές μεταβάσεις μπορούν να θεωρηθούν στιγμιαίες και μπορεί να ανοίξουν το δρόμο για να κατανοήσουμε τελικά τον ρόλο του χρόνου στην κβαντική μηχανική», εξηγεί ο Dil.

Πέρα από την εμβάθυνση της κατανόησής μας για τον χρόνο στην κβαντική φυσική, η εργασία προσφέρει ένα νέο εργαλείο για τη μελέτη του τρόπου με τον οποίο συμπεριφέρονται τα ηλεκτρόνια σε πολύπλοκα υλικά. Η γνώση του πόσο διαρκεί μια κβαντική μετάβαση θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να σχεδιάσουν υλικά με προσαρμοσμένες κβαντικές ιδιότητες και να υποστηρίξουν μελλοντικές τεχνολογίες που εξαρτώνται από τον ακριβή έλεγχο των κβαντικών καταστάσεων.