Os pesquisadores do ICFO relatam a descoberta de uma nova técnica que pode melhorar drasticamente a sensibilidade de instrumentos como imagens de ressonância magnética (MRIs) e relógios atômicos. O estudo, publicado em Natureza , relata uma técnica para contornar o princípio da incerteza de Heisenberg. Esta técnica esconde a incerteza quântica em características atômicas não vistas pelo instrumento, permitindo que os cientistas façam medições de alta precisão.

Sensores de última geração, como ressonâncias magnéticas e relógios atômicos, são capazes de fazer medições com precisão requintada. A ressonância magnética é usada para obter imagens de tecidos nas profundezas do corpo humano e nos diz se podemos sofrer de uma doença, enquanto os relógios atômicos são cronômetros extremamente precisos usados ​​para GPS, sincronização de internet, e interferometria de linha de base longa em radioastronomia. Pode-se pensar que esses dois instrumentos não têm nada em comum, mas eles fazem:ambas as tecnologias são baseadas na medição precisa do spin do átomo, o movimento giroscópio dos elétrons e do núcleo. Na ressonância magnética, por exemplo, o ângulo de rotação do spin fornece informações sobre onde o átomo está localizado no corpo, enquanto a quantidade de spin (a amplitude) é usada para distinguir diferentes tipos de tecido. Combinando essas duas informações, a ressonância magnética pode fazer um mapa 3D dos tecidos do corpo.

A sensibilidade desse tipo de medição foi considerada por muito tempo como limitada pelo princípio da incerteza de Heisenberg, que afirma que medir com precisão uma propriedade de um átomo coloca um limite na precisão da medição que você pode obter em outra propriedade. Por exemplo, se medirmos a posição de um elétron com alta precisão, O princípio de Heisenberg limita a precisão na medição de seu momento. Uma vez que a maioria dos instrumentos atômicos medem duas propriedades (amplitude de giro e ângulo), o princípio parece dizer que as leituras sempre conterão alguma incerteza quântica. Essa expectativa de longa data agora foi refutada, Contudo, pelos pesquisadores do ICFO, Dr. Giorgio Colangelo, Ferran Martin Ciurana, Lorena C. Bianchet e Dr. Robert J. Sewell, liderado pelo ICREA Prof. no ICFO Morgan W. Mitchell. Em seu artigo "Rastreamento simultâneo do ângulo de rotação e amplitude além dos limites clássicos", publicado esta semana em Natureza , eles descrevem como um instrumento projetado corretamente pode evitar quase completamente a incerteza quântica.

O truque é perceber que o giro não tem um, mas dois ângulos apontando, um para a direção nordeste-sudoeste, e a outra para a elevação acima do horizonte. A equipe do ICFO mostrou como colocar quase todas as incertezas no ângulo que não é medido pelo instrumento. Desta forma, eles ainda obedeciam ao requisito de incerteza de Heisenberg, mas escondeu a incerteza onde não pode fazer mal. Como resultado, eles foram capazes de obter uma medição de amplitude angular de precisão sem precedentes, incomodado pela incerteza quântica.

O professor Mitchell usa uma analogia sólida para afirmar que "Para os cientistas, o princípio da incerteza é muito frustrante - gostaríamos de saber tudo, mas Heisenberg diz que não podemos. Nesse caso, no entanto, encontramos uma maneira de saber tudo o que é importante para nós. É como a música dos Rolling Stones:nem sempre você consegue o que quer / mas se tentar às vezes, talvez encontre / você consegue o que precisa. "

Em seu estudo, a equipe do ICFO resfriou uma nuvem de átomos para alguns microKelvin, aplicou um campo magnético para produzir movimento de rotação como na ressonância magnética, e iluminou a nuvem com um laser para medir a orientação dos spins atômicos. Eles observaram que tanto o ângulo de giro quanto a incerteza podem ser monitorados continuamente com uma sensibilidade além dos limites esperados anteriormente, embora ainda obedecendo ao princípio de Heisenberg.

Quanto aos desafios enfrentados durante o experimento, Colangelo comenta que "em primeiro lugar, tivemos que desenvolver um modelo teórico para ver se o que queríamos fazer era realmente possível. Então, nem todas as tecnologias que usamos para o experimento existiam quando começamos:entre elas, tivemos que projetar e desenvolver um detector específico que fosse rápido o suficiente e com muito baixo ruído. Também tivemos que melhorar muito a maneira como estávamos "preparando" os átomos e encontrar uma maneira de usar com eficiência toda a faixa dinâmica que tínhamos no detector. Foi uma batalha contra o Lado Negro de Quantum, mas nós ganhamos! "

Os resultados do estudo são de suma importância, pois esta nova técnica mostra que é possível obter medidas ainda mais precisas dos spins atômicos, abrindo um novo caminho para o desenvolvimento de instrumentos muito mais sensíveis e permitindo a detecção de sinais, como ondas gravitacionais ou atividade cerebral, com precisão sem precedentes.