L'evoluzione di uno spin e la sua incertezza mentre orbitano a causa di un campo magnetico. L'incertezza, inizialmente uguale in tutte le direzioni, è schiacciato solo nella componente fuori piano, lasciando le due componenti nel piano altamente certe. Credito:ICFO
I ricercatori dell'ICFO segnalano la scoperta di una nuova tecnica che potrebbe migliorare drasticamente la sensibilità di strumenti come la risonanza magnetica per immagini (MRI) e gli orologi atomici. Lo studio, pubblicato in Natura , riporta una tecnica per aggirare il principio di indeterminazione di Heisenberg. Questa tecnica nasconde l'incertezza quantistica nelle caratteristiche atomiche non viste dallo strumento, consentendo agli scienziati di effettuare misurazioni di altissima precisione.
Sensori all'avanguardia, come risonanza magnetica e orologi atomici, sono in grado di effettuare misurazioni con squisita precisione. La risonanza magnetica viene utilizzata per visualizzare i tessuti in profondità all'interno del corpo umano e ci dice se potremmo soffrire di una malattia, mentre gli orologi atomici sono cronometri estremamente precisi utilizzati per il GPS, sincronizzazione internet, e interferometria a base lunga in radioastronomia. Si potrebbe pensare che questi due strumenti non abbiano nulla in comune, ma lo fanno:entrambe le tecnologie si basano sulla misurazione precisa dello spin dell'atomo, il movimento giroscopico degli elettroni e del nucleo. Nella risonanza magnetica, Per esempio, l'angolo di puntamento dello spin fornisce informazioni su dove si trova l'atomo nel corpo, mentre la quantità di spin (l'ampiezza) viene utilizzata per distinguere diversi tipi di tessuto. Combinando queste due informazioni, la risonanza magnetica può fare una mappa 3D dei tessuti del corpo.
La sensibilità di questo tipo di misurazione è stata a lungo ritenuta limitata dal principio di indeterminazione di Heisenberg, che afferma che misurare accuratamente una proprietà di un atomo pone un limite alla precisione della misurazione che puoi ottenere su un'altra proprietà. Per esempio, se misuriamo la posizione di un elettrone con alta precisione, Il principio di Heisenberg limita l'accuratezza nella misurazione della sua quantità di moto. Poiché la maggior parte degli strumenti atomici misura due proprietà (ampiezza e angolo di spin), il principio sembra dire che le letture conterranno sempre qualche incertezza quantistica. Questa aspettativa di lunga data è stata ora smentita, però, dai ricercatori ICFO Dott. Giorgio Colangelo, Ferran Martin Ciurana, Lorena C. Bianchet e il dottor Robert J. Sewell, guidato da ICREA Prof. presso ICFO Morgan W. Mitchell. Nel loro articolo "Tracciamento simultaneo dell'angolo di spin e dell'ampiezza oltre i limiti classici", pubblicato questa settimana in Natura , descrivono come uno strumento adeguatamente progettato può evitare quasi completamente l'incertezza quantistica.
Il trucco sta nel rendersi conto che la rotazione non ha uno ma due angoli di puntamento, uno per la direzione nord-est-sud-ovest, e l'altro per l'elevazione sopra l'orizzonte. Il team ICFO ha mostrato come mettere quasi tutta l'incertezza nell'angolo non misurato dallo strumento. In questo modo obbedivano ancora al requisito di incertezza di Heisenberg, ma ha nascosto l'incertezza dove non può nuocere. Di conseguenza, sono stati in grado di ottenere una misurazione angolo-ampiezza di una precisione senza precedenti, indifferente all'incertezza quantistica.
Il prof. Mitchell usa una solida analogia per affermare che "Agli scienziati, il principio di indeterminazione è molto frustrante - vorremmo sapere tutto, ma Heisenberg dice che non possiamo. In questo caso, anche se, abbiamo trovato un modo per sapere tutto ciò che conta per noi. È come la canzone dei Rolling Stones:non puoi sempre ottenere ciò che vuoi / ma se ci provi a volte potresti trovare / ottieni ciò di cui hai bisogno".
Ferran Martin Ciurana e il Dr. Giorgio Colangelo al lavoro sul setup sperimentale. Credito:ICFO
Nel loro studio, il team ICFO ha raffreddato una nuvola di atomi a pochi microKelvin, applicato un campo magnetico per produrre movimento di spin come nella risonanza magnetica, e illuminato la nuvola con un laser per misurare l'orientamento degli spin atomici. Hanno osservato che sia l'angolo di spin che l'incertezza possono essere monitorati continuamente con una sensibilità oltre i limiti precedentemente previsti, sebbene obbedisca ancora al principio di Heisenberg.
Per quanto riguarda le sfide affrontate durante l'esperimento, Colangelo commenta che "in primo luogo, abbiamo dovuto sviluppare un modello teorico per vedere se quello che volevamo fare era davvero possibile. Quindi, non tutte le tecnologie che abbiamo utilizzato per l'esperimento esistevano quando abbiamo iniziato:tra queste, abbiamo dovuto progettare e sviluppare un particolare rivelatore che fosse abbastanza veloce e con un rumore molto basso. Abbiamo anche dovuto migliorare molto il modo in cui stavamo "preparando" gli atomi e trovare un modo per utilizzare in modo efficiente tutta la gamma dinamica che avevamo nel rivelatore. È stata una battaglia contro il Lato Oscuro dei Quanti, ma l'abbiamo vinto!"
I risultati dello studio sono di fondamentale importanza poiché questa nuova tecnica mostra che è possibile ottenere misurazioni ancora più accurate degli spin atomici, aprendo una nuova strada allo sviluppo di strumenti molto più sensibili e consentendo il rilevamento di segnali, come le onde gravitazionali o l'attività cerebrale, con una precisione senza precedenti.
