•Notícia

Els sensors d'última generació, com els escàners d'imatge per ressonància magnètica (IRM) i els rellotges atòmics, són capaços de obtenir mesures amb molt alta precisió. L'IRM s'utilitza per obtenir imatges dels teixits profunds dins del cos humà i ens indica si podem estar patint alguna malaltia, mentre que els rellotges atòmics són cronòmetres molt precisos utilitzats per al GPS, la sincronització d'Internet, o fins i tot per l’interferometria de llarga base en radioastronomia. Tot i que es pot pensar que aquests dos instruments no tenen res en comú, ambdues tecnologies es basen en el mesurament precís de l'spin de l'àtom, és a dir, el moviment giroscòpic dels electrons i el nucli (un fenomen que pertany a la mecànica quàntica). Pel que fa a escàners d'IRM, per exemple, l'angle d'orientació de l'spin proporciona informació sobre on es troba l'àtom en el cos, mentre que la quantitat d'spin (l'amplitud) s'utilitza per distingir diferents tipus de teixit. Combinant els dos paràmetres, l'IRM pot obtenir un mapa en 3D dels teixits en el cos.

Durant molt de temps, es va creure que la precisió en aquestes mesures estava limitada pel principi d'incertesa d'Heisenberg, el qual estableix que mesurar amb precisió una propietat d'un àtom fixa un límit a la precisió de la mesura que es pot obtenir en una altra de les seves propietats. Per exemple, si mesurem la posició d'un electró amb alta precisió, el principi d'Heisenberg limita la precisió en el mesurament del seu moment, és a dir, la seva velocitat. Atès que la majoria dels instruments atòmics mesuren dues propietats (amplitud i angle de l'spin), el principi sembla indicar que les mesures sempre han de contenir certa incertesa quàntica. No obstant això, aquesta condició, assumida des de fa temps, ha estat refutada per un grup d'investigació de l'ICFO, format per Giorgio Colangelo, Ferran Martin Ciurana, Lorena C. Bianchet i Robert J. Sewell, dirigits pel professor ICREA Morgan W. Mitchell. En el seu estudi Simultaneous tracking of spin angle and amplitude beyond classical limits, publicat aquesta setmana a la revista Nature, descriuen com un instrument ben dissenyat pot circumvalar gairebé del tot la incertesa quàntica.

El truc consisteix en adonar-se que l'spin no té un, sinó dos angles que el descriuen, un per la direcció nord-est-sud-oest i l'altre per determinar l'elevació per sobre de l'horitzó. L'equip de l’ICFO ha demostrat en aquest estudi com traslladar gairebé tota la incertesa a l'angle que no és mesurat per l'instrument. D'aquesta manera, van aconseguir obeir l'exigència del principi d'incertesa d'Heisenberg, però van ocultar la incertesa en un dels paràmetres que no "podia fer mal". Com a resultat, van ser capaços d'obtenir una mesura de l’amplitud angular amb una precisió sense precedents, sense que estigui afectada per la incertesa quàntica. 

A la imatge de la dreta: evolució d'un spin i la seva incertesa en orbitar a causa d'un camp magnètic. La incertesa, inicialment igual en totes les direccions, es comprimeix en les dues components al pla, de forma que permet fer mesures d'alta precisió.
Al seu estudi, l'equip de l’ICFO va refredar un núvol d'àtoms a uns pocs micro-graus Kelvin, va aplicar un camp magnètic per a produir moviment dels spins, com succeeix als escàners IRM, i va il·luminar el núvol amb un làser per mesurar l'orientació dels spins atòmics. Els científics van observar que tant l'angle de l'spin com la seva amplitud poden ser monitoritzats contínuament amb una precisió més enllà dels límits prèviament esperats, tot i que continuen obeint el principi d'Heisenberg.

Els resultats de l'estudi demostres que amb aquesta nova tècnica és possible obtenir mesures encara més precises dels spins atòmics. Això obre una nova via per desenvolupar instruments que poden detectar senyals, com ara les ones gravitacionals o les de l'activitat cerebral, amb una precisió sense precedents.

"Per als científics", afirma el professor Morgan W. Mitchell,  "el principi d'incertesa és molt frustrant (ens agradaria saber-ho tot), però Heisenberg diu que no podem. En aquest cas, però, trobem una manera de saber tot el que ens importa". 

Respecte als reptes que han hagut de superar durant l'experiment, Giorgio Colangelo explica que "en primer lloc, van desenvolupar un model teòric per veure si el que volíem fer era realment possible. Després", afegeix, "vam haver de dissenyar i desenvolupar un detector particular que fos prou ràpid i que generés poc soroll. Finalment, també vam millorar la forma de 'prepar' els àtoms  i d'utilitzar eficientment tot el rang dinàmic del detector". Segons l'investigador, "ha estat "una batalla contra el 'costat fosc' de la quàntica, però ho hem aconseguit! ".