•Notícia

Un grup d’investigadors de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), adscrit a la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), ha pogut detectar, per primer cop, senyals magnètics ultra-febles, superant un límit abans considerat com fonamental i insuperable. Fins ara, la precisió de qualsevol mesura es pensava que estava limitada per l’anomenat “limit de Heisenberg” una conseqüència del famós “principi d’incertesa” de l’alemany Werner Heisenberg. Aquest principi és la base de tots els fenòmens sorprenents que ocorren en el món microscòpic, en el món quàntic, i diu que si se sap exactament on es troba un objecte molt petit com pot ser un àtom, no es pot saber cap on està anant.

Aquesta recerca, realitzada pel grup dirigit pel doctor Morgan Mitchell, de l’ICFO, ha estat publicada el 24 de març a la revista Nature. Constitueix un avenç en la comprensió dels mecanismes que limiten totes les mesures més precises en general i, en el cas del laboratori de l’ICFO, s’ha centrat en els camps magnètics. Aquest avenç pot tenir conseqüències en la diagnosi de desordres del cor o en desvetllar el comportament del cervell, entre altres aplicacions.

Com de precisa es pot fer una mesura? Suposem, per exemple, que volem mesurar la temperatura de l’aigua calenta introduint un termòmetre. Aquest termòmetre està fred i, en entrar en contacte amb l’aigua, la refreda lleugerament. La dada que s’obté segueix sent una bona aproximació de la temperatura, però no exactament fins a la bilionèsima del grau. El termòmetre ha modificat de manera quasi imperceptible la temperatura que estàvem mesurant.

Si volem realitzar mesures amb una precisió extrema, les eines emprades han de ser cada cop més petites, fins arribar al món quàntic dels àtoms o els fotons. Avui en dia, aquestes eines s’utilitzen en instruments ultra-precisos, com els rellotges atòmics dels satèl·lits GPS.

En el principi d’Heisenberg es troba l’explicació més fonamental del que ocorre en aquest exemple: una conseqüència del principi és que res es pot mesurar sense canviar-ho, perquè quan l’eina de mesura interacciona amb l’objecte a mesurar li transmet la seva “incertesa” intrínseca. Depenent de com sumen totes les incerteses de les eines-partícules s’arriba a un límit últim en la sensibilitat.

Aquest límit, anomenat “límit d’Heisenberg”, a diferència del principi d’incertesa està molt menys estudiat i fa uns pocs anys els físic teòrics el van començar a posar en dubte. L’any 2005, l’investigador Alfredo Luis, de la Universitat Complutense de Madrid, va treballar en aquest àmbit. El 2007, un equip dels Estats Units d’Amèrica va teoritzar sobre el que podria ser la superació del límit d’Heisenberg.

Ara, l’equip de l’ICFO ha posat a prova la teoria del grup americà. Ha fet servir un interferòmetre amb llum làser polaritzada i àtoms de rubidi per detectar, a temps real, els camps magnètics que, entre d’altres, es produeixen al cor i al cervell. L’equip ha aconseguit demostrar, experimentalment, la superació del límit d’Heisenberg.

Hi ha infinitat d’accions, com ara llegir, veure, escoltar, parlar en un altre idioma, en les que la interacció del cervell té un pes important. Si s’analitza el funcionament del cervell es pot observar com treballen cadascuna de les seves parts i com s’interrelacionen.

Amb les tècniques estàndard de diagnosi per imatges (Resonancia, PET, etc) que revelen els fluxos de sang, es pot estudiar com treballa el cervell amb prou precisió, però aquestes activitats s’evidencien amb un retard que pot anar dels segons als minuts. Quan una persona, per exemple, està parlant en un idioma estranger, no és fins al cap de mitja hora que es constata una major concentració de sang en una zona particular del cervell. Per aquest motiu, les imatges obtingudes no són a temps real.

Un indicador més ràpid d’aquesta activitat cerebral és el camp magnètic, que genera els corrents elèctrics entre les neurones. Actualment existeixen instruments, com ara els magnetoencefalogrames (MEG), capaços d’obtenir imatges del camp magnètic cerebral en mil·lèsimes de segon. Tot i això, només donen suficient sensibilitat quan s’analitzen casos patològics, com l’epilèpsia, i no quan es volen observar els efectes neuronals derivats de qualsevol activitat quotidiana.

Mitjançant un tipus de sensors òptics, basats en àtoms de rubidi, es poden construir MEG més compactes i senzills. Tot i això l’aplicació d’aquests sensors en medicina, que és incipient, també s’ha vist limitada pel límit d’Heisenberg.

El que ha fet el grup de l’ICFO ha estat millorar la sensibilitat d’aquests sensors òptics (o magnetòmetres atòmic) superant el límit donat fins ara, ja que, en comptes d’utilitzar els fotons del làser cadascun de manera independent dels altres, els fan treballar conjuntament, aconseguint una millora que incrementa en 10 vegades més en la sensibilitat de la mesura del camp magnètic, demostrant que el límit pot ser superat.

Altres aplicacions on es podrien utilitzar aquests instruments molt més sensibles seria en l’observació de la Terra, per detectar, per exemple els canvis causats per la presència, en el subsòl, de jaciments minerals o de petroli.

El resultat obtingut pel grup de l’ICFO té una importància fonamental no tan sols per mesurar camps magnètics, sinó també per obtenir les mesures sensibles que utilitzen interferometres. Això inclouria la detecció d’ones gravitacionals, la diagnosis per imatge en el camp de la medicina i els rellotges atòmics per a la navegació.