I fisici dell’EPFL sono riusciti a misurare il tempo coinvolto negli eventi quantistici. Hanno scoperto che dipende dalla simmetria del materiale.
il concetto di tempo preoccupa filosofi e fisici da migliaia di anni e l’avvento della meccanica quantistica non ha semplificato il problema", afferma il professore dell’EPFL Hugo Dil. Il cuore del problema è il ruolo generale del tempo nella meccanica quantistica, e in particolare la scala temporale associata a una transizione quantistica
Gli eventi quantistici, come l’effetto tunnel o il cambiamento di stato di un elettrone per assorbimento di un fotone, avvengono a velocità vertiginose. Alcuni richiedono solo poche decine di attosecondi (10-18 secondi), un intervallo così breve che la luce non percorrerebbe nemmeno la larghezza di un piccolo virus.
Misurare intervalli di tempo così brevi è ancora più difficile perché qualsiasi strumento di cronometraggio esterno può distorcere ciò che stiamo cercando di osservare. sebbene il Premio Nobel per la Fisica 2023 dimostri che possiamo accedere a tempi così brevi, l’uso di una scala temporale esterna rischia di indurre artefatti", spiega Hugo Dil. Questo problema può essere risolto utilizzando metodi di interferenza quantistica, basati sul legame tra fase e tempo accumulato"
Hugo Dil ha condotto una ricerca che ha permesso di misurare con precisione il tempo associato agli eventi quantistici. Quando gli elettroni assorbono un fotone e lasciano un materiale, trasportano informazioni sotto forma di spin, che cambia in base all’avanzamento del processo quantistico sottostante. Osservando queste minime variazioni, il team è riuscito a calcolare la durata della transizione, senza utilizzare un orologio esterno.
"Questi esperimenti non richiedono alcun riferimento o orologio esterno. Forniscono una misura del tempo necessario affinché la funzione d’onda di un elettrone si evolva dal suo stato iniziale a quello finale, che ha un’energia maggiore a causa dell’assorbimento di un fotone", spiega Fei Guo, autore principale dello studio.
Il principio è il seguente: quando la luce eccita un elettrone, questo può prendere diverse traiettorie quantistiche allo stesso tempo. Queste traiettorie interferiscono l’una con l’altra e questa interferenza si manifesta sotto forma di un modello specifico nello spin dell ’elettrone emesso. Studiando il modo in cui questo modello di spin cambia con l’energia dell’elettrone, il team è riuscito a calcolare la durata della transizione.
Gli scienziati hanno utilizzato una tecnica chiamata "spettroscopia di fotoemissione risolta con spin e angolo" (SARPES). La SARPES consiste nel proiettare un’intensa luce di sincrotrone su un materiale. Questa luce spinge gli elettroni verso un’energia più elevata, costringendoli a uscire dal materiale. L’energia, la direzione e lo spin degli elettroni in uscita vengono misurati dal SARPES.
Il team ha testato materiali di diverse "forme" atomiche. Alcuni sono interamente tridimensionali, come il rame ordinario. Altri, come il diseleniuro di titanio (TiSe2) e il ditelluride di titanio (TiTe2), sono costituiti da strati debolmente legati e si comportano più come fogli piatti. Il tellururo di rame (CuTe) ha una struttura a catena ancora più semplice. Queste differenze li rendono materiali ideali per testare l’influenza della geometria sui tempi.
I risultati hanno mostrato un chiaro schema: più "semplice" è la struttura del materiale, con una simmetria ridotta, più lunga è la durata della transizione quantistica. Nel rame ordinario 3D, la transizione è stata estremamente rapida, con una durata di circa 26 attosecondi.
Nei due materiali stratificati, TiSe2 e TiTe2, il processo è rallentato notevolmente fino a circa 140-175 attosecondi. Nel CuTe, invece, la transizione è durata più di 200 attosecondi. Ciò significa che la "forma" del materiale su scala atomica ha una forte influenza sulla velocità con cui avviene l’evento quantistico, con strutture a simmetria ridotta che comportano tempi di transizione più lunghi.
Hugo Dil spiega: "Oltre a fornire informazioni fondamentali su ciò che determina il ritardo nella fotoemissione, i nostri risultati sperimentali gettano nuova luce sui fattori che influenzano il tempo a livello quantistico e sulla misura in cui le transizioni quantistiche possono essere considerate istantanee. Potrebbero aprire la strada a una comprensione definitiva del ruolo del tempo nella meccanica quantistica"
I risultati offrono un nuovo modo di comprendere il comportamento del tempo nei processi quantistici. Inoltre, forniscono uno strumento per studiare il modo in cui gli elettroni interagiscono nei materiali complessi. Sapere quanto dura una transizione quantistica può aiutare gli scienziati a progettare materiali con specifiche caratteristiche quantistiche e a migliorare le tecnologie future che si basano sul controllo preciso degli stati quantistici.
RiferimentiFei Guo, Dmitry Usanov, Eduardo B. Guedes, Mauro Fanciulli, Kaishu Kawaguchi, Ryo Mori, Takeshi Kondo, Arnaud Magrez, Michele Puppin, J. Hugo Dil. Dipendenza delle scale temporali quantistiche dalla simmetria. Newton 06 febbraio 2026. DOI: 10.1016/j.newton.2025.100374
