A livello subatomico, la misurazione temporale si discosta notevolmente dalla concezione lineare che abbiamo nella vita quotidiana. Tra particelle elementari ed elettroni, la scansione temporale appare discontinua, spezzettata e persino variabile. Grazie a una recente indagine scientifica, oggi possiamo comprendere quali fattori determinano effettivamente la durata di un fenomeno quantistico.
Un team di ricercatori dell’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne ha messo a punto un approccio innovativo per quantificare l’intervallo temporale durante una transizione a livello quantistico, eliminando la necessità di riferimenti cronometrici esterni e preservando l’integrità del fenomeno sotto osservazione. Una rivelazione che ridefinisce la nostra percezione del tempo.
Gli eventi quantistici hanno una durata misurabile
A scala quantistica, determinati fenomeni si verificano con una rapidità quasi inconcepibile. Quando un elettrone cattura energia luminosa e si sposta verso un livello energetico superiore, l’intera sequenza può completarsi in poche decine di attosecondi, ossia frazioni infinitesimali di secondo. Per avere un’idea concreta, in un lasso temporale così breve nemmeno un raggio luminoso riuscirebbe a percorrere lo spessore di un microrganismo virale.
Per lungo tempo si è ritenuto che simili transizioni fossero essenzialmente immediate. Tuttavia, le evidenze sperimentali dimostrano il contrario. Gli esperti hanno verificato che ciascuna transizione quantistica possiede una durata specifica e che l’intervallo temporale necessario dipende da caratteristiche intrinseche della materia coinvolta.
Quantificare intervalli così ridotti ha sempre rappresentato una sfida considerevole. Qualsiasi dispositivo di misurazione esterno rischia di compromettere il fragile equilibrio delle interazioni quantistiche. Ed è esattamente in questo contesto che emerge l’innovazione.
Rilevare la durata senza strumenti esterni
Gli studiosi hanno elaborato una metodologia in grado di estrarre informazioni temporali direttamente dal fenomeno quantistico stesso. Quando un elettrone acquisisce un fotone e viene espulso da un materiale, trasporta con sé dati codificati nel suo spin, una caratteristica fondamentale del suo stato quantistico.
Esaminando le variazioni dello spin durante la transizione, diventa possibile determinare l’intervallo temporale richiesto dall’elettrone per completare il passaggio tra stati energetici. Nessuna strumentazione cronometrica, nessun parametro esterno: solamente segnali generati dal sistema stesso.
Il meccanismo chiave risiede nell’interferenza quantistica. Un elettrone eccitato dalla radiazione luminosa non segue una traiettoria unica, ma esplora molteplici percorsi contemporaneamente che si sovrappongono. Questa sovrapposizione lascia una traccia caratteristica nello spin dell’elettrone emesso. Analizzando come questa impronta si modifica in funzione dell’energia, i ricercatori possono calcolare la durata del processo.
La tecnica impiegata è la spettroscopia di fotoemissione risolta in spin e angolo, che consente di esaminare energia, traiettoria e spin degli elettroni rilasciati da un materiale irradiato con luce di sincrotrone.
La struttura atomica influenza la durata temporale
L’aspetto più rilevante dell’indagine riguarda la correlazione tra durata quantistica e architettura atomica. Gli scienziati hanno esaminato materiali con proprietà molto differenti. Il rame, caratterizzato da una configurazione tridimensionale compatta. Composti lamellari come diseleniuro e ditellururo di titanio, costituiti da strati sovrapposti con legami deboli. Infine il tellururo di rame, con un’organizzazione ancora più elementare, quasi unidimensionale.
I dati sono inequivocabili: maggiore è la semplicità e minore la simmetria della struttura atomica, più si prolunga la transizione quantistica. Nel rame tridimensionale il fenomeno si completa in circa 26 attosecondi. Nei materiali stratificati l’intervallo aumenta tra 140 e 175 attosecondi. Nel tellururo di rame si oltrepassano i 200 attosecondi.
Ciò dimostra che la durata quantistica non rappresenta un valore assoluto. Viene modellata dalla geometria materiale, dall’organizzazione degli atomi, dalle modalità con cui gli elettroni possono spostarsi e interagire.
Comprendere la reale durata di un evento quantistico va oltre la speculazione teorica. Questa ricerca contribuisce a definire quando possiamo considerare i processi quantistici come immediati e dischiude nuove possibilità per la progettazione di materiali innovativi.
La conoscenza della durata quantistica potrebbe rivelarsi cruciale per realizzare tecnologie basate sul controllo accurato degli elettroni, dai dispositivi quantistici di prossima generazione ai nuovi materiali per applicazioni energetiche ed elettroniche. La fisica continua a dimostrarci che la realtà è straordinariamente più articolata e intrigante di quanto appaia superficialmente.
Fonte: Newton