Consiguen por vez primera medir el tiempo sin necesidad de reloj

Científicos de la Escuela Politécnica Federal de Lausane (EPFL) han conseguido medir un espacio de tiempo ultracorto en una emisión de electrones sin necesidad de reloj. Este descubrimiento tendrá implicaciones importantes para la investigación fundamental y la tecnología punta, informa la citada Escuela en un comunicado.

Cuando la luz choca con algunos objetos, se produce una emisión de electrones. Este fenómeno, conocido como fotoemisión, fue descubierto en 1905 por Albert Einstein, lo que le valió el Premio Nobel.

Pero ha sido en los últimos años, con el progreso de la tecnología láser, que los científicos han podido conocer mejor las escalas de tiempo increíblemente cortas que se producen en la fotoemisión.

Científicos de la EPFL acaban de determinar un cambio ultracorto en una fotoemisión midiendo el espín de los electrones fotoemitidos sin tener que utilizar impulsos laser ultracortos. El trabajo se publica en Physical Review Letters.

Fotoemisión

La fotoemisión se ha convertido en un fenómeno importante en las técnicas espectroscópicas punteras que permite a los científicos estudiar las propiedades de los electrones en un sólido.

Una de las propiedades de estos electrones es el espín o la rotación, una propiedad cuántica intrínseca de las partículas que da la impresión de que los electrones rotan alrededor de su eje. El grado con el que este eje se alinea en una dirección determinada se denomina polarización del espín, lo que otorga a ciertos materiales, como el hierro, propiedades magnéticas.

Aunque se han hecho grandes progresos en la utilización de la fotoemisión y de la polarización del espín de los electrones fotoemitidos, la escala de tiempo en la cual se desarrolla todo este proceso no ha sido explorada suficientemente por la ciencia.

La hipótesis más admitida es que, cuando la luz tropieza con un objeto, los electrones instantáneamente son excitados y emitidos. Sin embargo, recientes estudios que han utilizado una tecnología láser avanzada, han cuestionado esta hipótesis, mostrando que en realidad existe un lapso de tiempo en este proceso, del orden de attosegundos (unidad de tiempo equivalente a la trillonésima parte de un segundo).

El tiempo sin reloj

El laboratorio de Hugo Dil en la EPFL, junto a otros alemanes, ha demostrado que durante la fotoemisión, la polarización del espín de los electrones puede sufrir retrasos de tiempo.

Más importante aún, han podido demostrarlo sin necesidad de recurrir a ninguna medida de tiempo, es decir, sin necesidad de reloj. Para conseguirlo, han usado un tipo de espectroscopia de fotoemisión (SARPES) con la que han medido el spin de los electrones fotoemitidos por un cristal de cobre.

Con los láseres, es posible medir directamente la diferencia de tiempo que ocurre entre diferentes procesos, pero es difícil determinar el momento en el que el proceso se inicia, el tiempo cero, señala Mauro Fanciulli, autor principal del artículo.

“Pero con nuestra experiencia, hemos medido el tiempo de manera indirecta y así no hemos tenido este problema: hemos podido acceder a una de las escalas de tiempo más cortas jamás medidas. Las dos técnicas (espín y láser) son complementarias y ambas pueden proporcionar un campo de información completamente nuevo”, añade Fanciulli.

Función de onda

La información relativa a la escala de tiempo de la fotoemisión forma parte de la función de onda de los electrones emitidos. Se trata de una descripción cuántica de la probabilidad en la que el electrón puede ser encontrado en un sitio en determinado momento. Con SARPES, los científicos han podido medir el espín de los electrones, lo que les ha permitido acceder a sus propiedades de función de onda.

Este trabajo es una demostración de principio susceptible de desencadenar futuras investigaciones fundamentales y aplicadas, señala Hudo Dil. Se trata de un descubrimiento relacionado con la naturaleza fundamental del tiempo mismo, y permitirá comprender los detalles del proceso de fotoemisión. La espectroscopia de fotoemisión puede usarse asimismo en otros materiales interesantes, entre ellos el grafeno y los superconductores de altas temperaturas, algo que estos investigadores estudiarán a continuación.

Referencia
 
Mauro Fanciulli, Henrieta Volfová, Stefan Muff, Jürgen Braun, Hubert Ebert, Jan Minár, Ulrich Heinzmann, J. Hugo Dil. Spin polarization and attosecond time delay in photoemission from spin degenerate states of solids. Physical Review Letters 08 February 2017.