Problem czasu w świecie kwantowym
Czas od dawna jest jednym z najbardziej zagadkowych pojęć w fizyce. W mechanice kwantowej problem staje się jeszcze trudniejszy, ponieważ wiele procesów zachodzi w skali attosekund, czyli miliardowych części miliardowej sekundy (10⁻¹⁸ s). Dla porównania: w takim czasie światło nie zdążyłoby pokonać nawet szerokości małego wirusa.
Pomiar tak krótkich odcinków czasu jest jednak wyjątkowo trudny. Każdy zewnętrzny „zegar” używany w eksperymencie może zakłócić sam proces, który próbujemy zmierzyć. Naukowcy z EPFL postanowili więc podejść do problemu inaczej, bez użycia zewnętrznej skali czasu.
Pomiar bez zegara
Zespół opracował metodę opartą na zjawisku interferencji kwantowej. Gdy elektron pochłania foton i opuszcza materiał, jego spin (czyli kwantowa właściwość związana z momentem pędu) niesie informację o przebiegu całego procesu. Elektron może jednocześnie „podążać” kilkoma możliwymi drogami kwantowymi, które interferują ze sobą. Efektem jest charakterystyczny wzór zmian spinu.
Analizując te subtelne zmiany w zależności od energii elektronu, badacze byli w stanie obliczyć czas trwania przejścia bez użycia jakiegokolwiek zewnętrznego zegara. Metoda pozwala określić, ile czasu potrzebuje funkcja falowa elektronu, aby przejść ze stanu początkowego do końcowego po absorpcji fotonu.
Jak przeprowadzono eksperyment?
Do badań wykorzystano technikę o nazwie SARPES (spektroskopia fotoemisji z rozdzielczością spinową i kątową). Polega ona na:
- oświetlaniu materiału intensywnym światłem synchrotronowym,
- wzbudzeniu elektronów do wyższych energii,
- emisji elektronów z powierzchni materiału,
- pomiarze ich energii, kierunku oraz spinu.
Kluczowe było sprawdzenie, czy struktura materiału wpływa na czas trwania procesu.
Struktura ma znaczenie
Naukowcy przebadali materiały o różnej „geometrii” w skali atomowej:
- trójwymiarową miedź,
- materiały warstwowe: TiSe₂ i TiTe₂,
- materiał o strukturze łańcuchowej: CuTe.
Wyniki pokazały wyraźny trend:
- miedź (3D): ok. 26 attosekund
- materiały warstwowe: 140–175 attosekund
- struktura łańcuchowa: ponad 200 attosekund
Im prostsza i mniej symetryczna struktura materiału, tym dłużej trwa przejście kwantowe. Oznacza to, że atomowy „kształt” materii bezpośrednio wpływa na dynamikę procesów kwantowych.
Badanie dostarcza nowych informacji o fundamentalnej roli czasu w mechanice kwantowej i pokazuje, że przejścia kwantowe nie zawsze są natychmiastowe.
Nowa metoda może pomóc naukowcom:
- lepiej zrozumieć zachowanie elektronów w złożonych materiałach,
- projektować materiały o określonych właściwościach kwantowych,
- rozwijać technologie wymagające precyzyjnej kontroli stanów kwantowych — np. w elektronice przyszłości czy technologiach kwantowych.
Choć różnice rzędu setek attosekund wydają się abstrakcyjne, w świecie kwantowym mogą decydować o tym, jak działa materia na najbardziej fundamentalnym poziomie.
Źródło: École Polytechnique Fédérale de Lausanne
