Los saltos cuánticos generalmente se consideran instantáneos. Sin embargo, los nuevos métodos de medición son tan precisos que ahora es posible observar dicho proceso y medir su duración con precisión, por ejemplo, el famoso 'efecto fotoeléctrico', descrito por primera vez porAlbert Einstein.
Fue uno de los experimentos cruciales en física cuántica: cuando la luz cae sobre ciertos materiales, los electrones se liberan de la superficie. Albert Einstein fue el primero en explicar este fenómeno en 1905, cuando habló de "cuantos de luz" - elunidades de luz más pequeñas que llamamos fotones hoy.
En pequeñas fracciones de segundo, un electrón del material absorbe un fotón, "salta" a otro estado y abandona la superficie. Este "efecto fotoeléctrico" es tan rápido que hasta ahora se ha considerado casi instantáneamente comoun cambio repentino de estado, de un momento a otro. Sin embargo, los nuevos métodos de medición son tan precisos que ahora es posible observar dicho proceso y medir su duración con precisión. Un equipo de la Universidad Tecnológica de Viena, junto conGrupos de investigación de Garching, Munich y Berlín, determinaron la duración del efecto fotoeléctrico en una superficie de tungsteno. Los resultados fueron publicados en la revista Naturaleza .
Medición en una escala de attosegundos
El efecto fotoeléctrico juega un papel importante en muchos campos técnicos, por ejemplo, en células solares o en la conversión de datos de un cable de fibra óptica en señales eléctricas. Se produce en una escala de tiempo en el rango de atosegundos: un attosegundo es unbillonésima parte de una billonésima de segundo.
"Con la ayuda de pulsos láser ultracortos, en los últimos años ha sido posible obtener por primera vez información sobre el momento de tales efectos", explica el profesor Joachim Burgdörfer del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Vienade Tecnología ". Junto con nuestros colegas de Alemania, por ejemplo, pudimos determinar el intervalo de tiempo entre diferentes saltos cuánticos y mostrar que diferentes saltos cuánticos toman diferentes cantidades de tiempo". Sin embargo, hasta ahora solo era posible determinar el tiempodiferencias, pero no la duración absoluta, porque es muy difícil encontrar un "reloj", que comienza a marcar precisamente al comienzo del salto cuántico. Esto es exactamente lo que se ha hecho posible mediante la combinación de varios experimentos, simulaciones por computadora ycálculos teóricos
tres relojes atómicos
Para lograr esto, los científicos tuvieron que proceder paso a paso: para tener una escala de referencia absoluta, calibrada con precisión, primero estudiaron los electrones arrancados de los átomos de helio por pulsos láser. "El átomo de helio es muy simple. En estoEn este caso, podemos calcular con precisión la evolución temporal de la fotoemisión. Para objetos más complejos, como superficies de metal, esto no sería posible incluso con las mejores supercomputadoras del mundo ", explica el profesor Christoph Lemell.
Los átomos de helio se usaron como reloj de referencia. En un segundo experimento, se comparó la fotoemisión de helio y yodo, calibrando así el "reloj de yodo". Finalmente, en el tercer y último paso, fue posible usar elátomos de yodo para estudiar la fotoemisión de electrones de una superficie de tungsteno: el efecto que el equipo quería medir. Los átomos de yodo se depositaron en una superficie de tungsteno, que luego fue golpeada con pulsos láser ultracortos. Ahora los átomos de yodo sirvieron como referenciareloj, con el que se podría medir la fotoemisión desde la superficie de tungsteno.
Se utiliza un pulso láser ultracorto como señal de inicio con la que comienza el proceso. Los electrones se liberan de sus átomos y "saltan" a un estado cuántico diferente, en el que pueden alcanzar la superficie de tungsteno y salir. "En tungsteno,La duración de este proceso puede estudiarse particularmente bien porque la interfaz del material se puede definir con mucha precisión allí ", explica el profesor Florian Libisch." La superficie de tungsteno es una excelente línea de meta para la medición del tiempo de electrones ".
La duración del proceso de fotoemisión depende del estado inicial de los electrones. Varía de 100 attosegundos para electrones de las capas internas de los átomos de tungsteno a 45 attosegundos para electrones de banda de conducción, que en promedio pasan la línea de meta más rápido.las mediciones se llevaron a cabo en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching Alemania. Florian Libisch, Christoph Lemell y Joachim Burgdörfer de la Universidad Tecnológica de Viena fueron responsables del trabajo teórico y las simulaciones por computadora.
Pero, por supuesto, el objetivo del proyecto de investigación no es solo medir la duración de un efecto cuántico ". Es un campo de investigación emocionante que proporciona nuevas ideas notables, por ejemplo, en física de superficie y en procesos de transporte de electronesmateriales internos ", dice Joachim Burgdörfer." Nos da la oportunidad de estudiar procesos físicos importantes con una precisión que habría sido inconcebible hace unos años ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad Tecnológica de Viena . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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