Un equipo internacional de físicos ha conseguido algo que hasta ahora era casi filosófico más que experimental: medir cuánto dura de verdad un “salto cuántico” dentro de un material… sin usar ningún reloj externo. Y la sorpresa es clara. Ese tiempo no es universal, cambia según la simetría y la estructura del material, desde unas pocas decenas hasta más de 200 attosegundos.
En la práctica esto significa que dos electrones que hacen la misma transición de energía pueden tardar tiempos distintos según el cristal en el que se encuentren. No es un matiz menor. El trabajo obliga a replantear la idea, muy extendida, de que ciertas transiciones cuánticas son “instantáneas” y abre una forma nueva de mirar el tiempo desde dentro de la propia mecánica cuántica.
Qué es el “tiempo cuántico” del que hablan
En la vida diaria damos por hecho que primero pasa una cosa y luego otra. Encendemos una luz, la habitación se ilumina y listo. Pero en el mundo cuántico incluso preguntarse cuánto dura un proceso básico puede ser complicado.
En mecánica cuántica el tiempo no se trata igual que otras magnitudes como la energía o la posición. No tiene su propio operador en las ecuaciones y suele entrar como un parámetro externo. Por eso muchos físicos discuten si el tiempo es algo fundamental o una forma útil de describir cómo cambian los sistemas.
Un ejemplo sencillo. 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. En el propio artículo se recuerda que “la conservación de la energía dicta que tales transiciones no pueden ser instantáneas”. El intervalo que interesa aquí es diminuto, del orden de los attosegundos, es decir, un segundo dividido en un trillón de partes.
Un reloj cuántico que no parece un reloj
El grupo de investigación, liderado por físicos de EPFL, ha usado una estrategia ingeniosa para medir esos tiempos sin recurrir a pulsos láser que actúen como “cronómetro” externo, algo que puede perturbar el propio proceso que se quiere observar.
La idea se apoya en el llamado retraso de Eisenbud Wigner Smith, que relaciona el tiempo con cómo cambia la fase de la función de onda durante una transición. En lugar de intentar medir directamente cuánto tarda el electrón, se mira cómo varía esa fase con la energía y, a partir de ahí, se infiere una duración.
La gran novedad del trabajo es el observable que han elegido. En vez de fijarse solo en cuánta energía lleva el electrón emitido, miden también su espín, una propiedad cuántica que actúa como pequeña brújula interna. El espín es muy sensible a la interferencia entre distintos caminos cuánticos que llevan al mismo resultado. Cuando varios “caminos” contribuyen a la transición, la forma en que se combinan deja una huella medible en la polarización del espín.
En palabras del propio equipo, “estos experimentos no requieren una referencia externa, o reloj, y proporcionan la escala temporal necesaria para que la función de onda del electrón evolucione”. Es decir, el sistema se convierte en su propio reloj interno.
Cuando la simetría acelera o frena un salto cuántico
Una vez validado el método, los autores se hicieron la pregunta clave. De qué depende realmente ese tiempo. Para probarlo, compararon materiales con distintas “dimensionalidades efectivas”. Un metal tridimensional clásico como el cobre, materiales en capas casi bidimensionales y un sistema casi unidimensional.
Los resultados dibujan una tendencia clara. En cobre tridimensional, la transición medida dura unos 26 attosegundos. En los materiales en capas casi bidimensionales, el tiempo sube hasta unos 150 attosegundos. En el sistema casi unidimensional, la cifra supera los 200 attosegundos.
El propio artículo resume el patrón con una frase rotunda. Se “encuentra un vínculo directo entre la dimensionalidad, o la simetría, del sistema y la escala temporal en attosegundos de la transición cuántica”. En sistemas muy simétricos los electrones tienen más caminos equivalentes para hacer la transición y el cambio se completa antes. Cuando la simetría se reduce, las trayectorias posibles se restringen y esa “falta de opciones” se traduce en procesos más lentos.
Los autores interpretan el intervalo que obtienen 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”. No incluye fenómenos posteriores como el transporte del electrón hacia la superficie del material, que ocurren después.
Qué implicaciones tiene y por qué no es solo filosofía
Más allá del titular llamativo, el trabajo pone sobre la mesa una herramienta nueva para comparar materiales desde el punto de vista temporal. Saber cuánto tarda una transición concreta ayuda a entender cómo se relacionan la estructura del cristal, las interacciones entre electrones y la respuesta del material a la luz.
Según destacan los investigadores, estos resultados “proporcionan nueva información sobre el papel de la simetría en las escalas temporales cuánticas” y sirven para comprobar hasta qué punto es razonable tratar algunas transiciones como si no tuvieran duración apreciable. También ofrecen una forma adicional de sondear interacciones electrónicas en materiales complejos, algo relevante para el diseño de futuros dispositivos que dependan de controlar estados cuánticos con enorme precisión.
En el fondo, el mensaje es sencillo, aunque nazca de una física muy sutil. El tiempo en mecánica cuántica no es un telón de fondo que todo el mundo comparte igual. Depende de cómo está organizada la materia y de la simetría del sistema donde viven los electrones.
El estudio completo ha sido publicado en la revista Newton.
