Crean un cronómetro capaz de medir los movimientos de los electrones en attosegundos

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Los científicos desarrollaron el primer cronómetro de attosegundos, que es el tiempo que tarda la luz en recorrer el diámetro de un átomo. Mide la dinámica de electrones con una resolución sin precedentes, abriendo una puerta insospechada al inframundo cuántico.

Científicos de las universidades de Regensburg (Alemania) y Michigan (EE. UU.) han desarrollado un cronómetro de attosegundos que mide la dinámica de los electrones (los portadores de carga más pequeños posibles) a medida que se mueven a través de los sólidos, informan en un artículo publicado en la revista Nature.

Debido a la diminuta masa de electrones, los procesos importantes por los que pasan estas partículas para formar materia suceden a una velocidad inimaginable y siguen las fascinantes leyes de la física cuántica, en lugar de las leyes de la mecánica clásica.

El cronómetro de attosegundos ha sido capaz por primera vez de rastrear el movimiento ultrarrápido de los electrones libres en los sólidos con una asombrosa precisión de hasta 300 attosegundos.

Esta resolución temporal es suficiente para estudiar los cambios más pequeños que ocurren en la dinámica de los electrones. Los datos de medición no solo muestran qué interacciones tuvieron lugar, sino también cómo ocurrieron.

efectos cuánticos

Un attosegundo es una millonésima de una billonésima de segundo (0,000000000000000001 segundos). La relación entre un attosegundo y un segundo es similar a la relación entre un segundo y la edad del Universo (alrededor de quince mil millones de años). Incluso la luz solo puede viajar una distancia del orden del diámetro de un átomo en un attosegundo.

«En la escala de tiempo de attosegundos, los efectos de interacción ya no pueden explicarse mediante las leyes de la física clásica; en cambio, son de naturaleza puramente mecánica cuántica. El seguimiento directo en el dominio del tiempo de cómo estas interacciones afectan el movimiento de los electrones es extremadamente útil para probando las últimas teorías cuánticas», dijo Mackillo Kira de la Universidad de Michigan, autor principal de la investigación, en un comunicado.

«Durante mucho tiempo, la comunidad de físicos del estado sólido creyó que la escala de tiempo de femtosegundos, mucho más lenta, era suficiente para describir la dinámica electrónica relevante para el estado sólido; nuestros resultados refutan claramente esta hipótesis», agrega Rupert. Huber de la Universidad de Ratisbona.

computación cuántica

Agrega: «Nuestro cronómetro de attosegundos puede ayudar a comprender mejor las correlaciones de muchos cuerpos en los materiales cuánticos modernos y establecer nuevas tendencias para el procesamiento de información cuántica en el futuro».

Los investigadores explican en este sentido que los materiales cuánticos pueden poseer fases magnéticas, superconductoras o superfluidas robustas, y que la computación cuántica representa el potencial para resolver problemas que llevarían demasiado tiempo en las computadoras clásicas.

Impulsar tales capacidades cuánticas creará soluciones a problemas que actualmente están fuera de nuestro alcance y desbloqueará la computación cuántica, llevándola al siguiente nivel, agregan.

Sin embargo, lograr esta capacidad cuántica requiere ciencia observacional básica como la que se lleva a cabo en esta nueva investigación, que ya tendrá aplicaciones prácticas en electrónica, optoelectrónica y tecnologías cuánticas.

Un ejemplo: el attocronómetro podría permitir velocidades de procesamiento de un millón a mil millones de veces más rápidas que las computadoras actuales, dicen los investigadores.

¿Cómo funciona el adjuntonómetro?

La base de este «cronómetro de attosegundos» son pequeñas obleas de un material semiconductor cristalino llamado diseleniuro de tungsteno. Estas obleas de semiconductores están expuestas a dos tipos diferentes de radiación electromagnética: una en el infrarrojo cercano y otra en el rango de los terahercios, explican los investigadores.

El primer pulso del haz excita los electrones en el material y los desplaza de sus posiciones, creando electrones libres erráticos con carga positiva. El siguiente campo de terahercios acelera los otros electrones en una dirección aleatoria.

Sin embargo, este segundo campo se invierte en algún punto, haciendo que estos electrones también se inviertan y choquen con sus agujeros de donde vinieron. Esta «recombinación» de cargas libera radiación de frecuencias específicas.

inframundo cuántico crujiente

Al medir el tiempo entre la excitación, el pulso de terahercios y la emisión de la radiación, los físicos pueden comprender qué tan lejos han viajado los electrones y en qué interacciones han entrado.

Esta resolución nunca se había alcanzado en el estudio en vivo de los electrones desde que el premio Nobel de física de 1952, Felix Bloch, estableció su teoría cuántica de los sólidos.

Bloch describió los electrones como ondas periódicas para explicar la conductividad eléctrica a partir de la mecánica cuántica. Estas ondas son las que ahora hemos podido medir en la escala de attosegundos, abriendo así una nueva e insospechada puerta al inframundo cuántico.

Referencia

Sincronización de attosegundos de correlaciones entre electrones de Bloch. J. Freudenstein et al. Naturaleza volumen 610, páginas 290-295 (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05190-2

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