Kwantumtijd is helemaal geen ononderbroken en regelmatige lijn, zoals we ons dat voorstellen als we naar een klok kijken. In de oneindig kleine wereld van atomen en elektronen gedraagt de tijd zich op een onregelmatige, gefragmenteerde, bijna ‘elastische’ manier. En dankzij nieuw onderzoek weten we vandaag eindelijk waar de werkelijke duur van een kwantumgebeurtenis van afhangt.
Een onderzoek uitgevoerd door een groep natuurkundigen uitEcole Polytechnique Federale de Lausanne heeft een revolutionaire methode geïdentificeerd om de tijd te meten die verstrijkt tijdens een kwantumtransitie, zonder gebruik te maken van externe klokken en zonder het waargenomen fenomeen te verstoren. Een ontdekking die de manier verandert waarop we naar tijd kijken.
Kwantumtijd is niet ogenblikkelijk
In de kwantumwereld vinden sommige processen plaats met snelheden die moeilijk voor te stellen zijn. Wanneer een elektron licht absorbeert en overgaat naar een hogere energietoestand, kan de gebeurtenis slechts enkele tientallen attoseconden duren, of miljardsten van een miljardste van een seconde. Om je een idee te geven: in zo’n korte tijd zou zelfs licht niet in staat zijn de breedte van een virus te doorkruisen.
Jarenlang werd gedacht dat deze stappen vrijwel onmiddellijk plaatsvonden. In werkelijkheid is dit niet het geval. Wetenschappers hebben aangetoond dat elke kwantumtransitie een zeer precieze duur heeft en dat de benodigde kwantumtijd afhankelijk is van verborgen factoren, die verband houden met de materie zelf.
Het meten van zulke extreme tijdsintervallen is altijd een groot probleem geweest. In feite dreigt elk extern instrument het zeer delicate kwantumevenwicht te veranderen. En dit is precies waar het keerpunt komt.
Kwantumtijd meten zonder klokken
Onderzoekers hebben een techniek ontwikkeld die in staat is om de tijd rechtstreeks vanuit het kwantumproces te ‘lezen’. Wanneer een elektron een foton absorbeert en een materiaal verlaat, draagt het informatie met zich mee die in zijn spin is gecodeerd, een eigenschap die zijn kwantumtoestand beschrijft.
Door te analyseren hoe de spin tijdens de overgang verandert, is het mogelijk te reconstrueren hoe lang het elektron erover doet om van de ene toestand naar de andere te gaan. Geen stopwatch, geen externe referenties: alleen signalen intern in het systeem.
Het geheim ligt in kwantuminterferentie. Een elektron volgt, wanneer het door licht wordt geëxciteerd, niet één enkel pad, maar meerdere gelijktijdige paden die met elkaar interfereren. Deze interferentie laat een soort afdruk achter in de spin van het uitgezonden elektron. Door te bestuderen hoe deze signatuur varieert naarmate de energie verandert, kunnen wetenschappers de duur van de gebeurtenis berekenen.
Om dit te doen, gebruikten ze een geavanceerde techniek, spin- en hoekopgeloste foto-emissiespectroscopie, waarmee ze de energie, richting en spin kunnen analyseren van de elektronen die worden uitgestoten door een materiaal dat wordt geraakt door synchrotronlicht.
Omdat de kwantumtijd verandert van materiaal tot materiaal
Het meest verrassende deel van het onderzoek betreft het verband tussen kwantumtijd en atomaire structuur. De onderzoekers vergeleken heel verschillende materialen. Koper, met een compacte driedimensionale structuur. Gelaagde verbindingen zoals diselenide en titaniumditelluride, gevormd door overlappende en zwak gebonden platen. En tenslotte kopertelluride, met een nog eenvoudiger, bijna kettingachtige structuur.
Het resultaat is duidelijk: hoe eenvoudiger en minder symmetrisch de atomaire structuur, hoe meer de kwantumtransitie vertraagt. In driedimensionaal koper duurt het proces ongeveer 26 attoseconden. In gelaagde materialen stijgt deze tussen 140 en 175 attoseconden. In het geval van kopertelluride bedraagt deze zelfs meer dan 200 attoseconden.
Dit betekent dat de kwantumtijd geen universele constante is. Het wordt beïnvloed door de geometrie van materie, de rangschikking van atomen, de manier waarop elektronen kunnen bewegen en op elkaar kunnen inwerken.
Begrijpen hoe lang een kwantumgebeurtenis werkelijk duurt, is niet alleen een theoretische nieuwsgierigheid. Dit onderzoek helpt verduidelijken of en wanneer we kwantumprocessen als ‘onmiddellijk’ kunnen beschouwen en opent nieuwe perspectieven voor het ontwerp van geavanceerde materialen.
Het kennen van de kwantumtijd zou de sleutel kunnen zijn tot het ontwikkelen van technologieën die gebaseerd zijn op de nauwkeurige controle van elektronen, van kwantumapparaten van de toekomst tot nieuwe materialen voor energie en elektronica. De natuurkunde herinnert ons er opnieuw aan dat de werkelijkheid veel complexer en fascinerender is dan het op het eerste gezicht lijkt.
Mogelijk bent u ook geïnteresseerd in:
