Los sensores de última generación, como las resonancias magnéticas y los relojes atómicos, son capaces de realizar mediciones con una precisión exquisita. La resonancia magnética se utiliza para obtener imágenes de tejidos profundos dentro del cuerpo humano y nos dice si podríamos sufrir una enfermedad, mientras queLos relojes atómicos son cronómetros extremadamente precisos utilizados para GPS, sincronización de Internet e interferometría de línea de base larga en radioastronomía. Uno podría pensar que estos dos instrumentos no tienen nada en común, pero lo hacen: ambas tecnologías se basan en la medición precisa del giro del átomo,el movimiento similar al giroscopio de los electrones y el núcleo. En la resonancia magnética, por ejemplo, el ángulo de puntería del espín proporciona información sobre en qué parte del cuerpo se encuentra el átomo, mientras que la cantidad de espín la amplitud se utiliza para distinguir diferentestipos de tejidos. Combinando estos dos datos, la resonancia magnética puede hacer un mapa 3D de los tejidos del cuerpo.
Durante mucho tiempo se pensó que la sensibilidad de este tipo de medición estaba limitada por el principio de incertidumbre de Heisenberg, que establece que medir con precisión una propiedad de un átomo pone un límite a la precisión de la medición que puede obtener en otra propiedad. Por ejemplo, siPara medir la posición de un electrón con alta precisión, el principio de Heisenberg limita la precisión en la medición de su momento, ya que la mayoría de los instrumentos atómicos miden dos propiedades amplitud de giro y ángulo, el principio parece decir que las lecturas siempre contendrán cierta incertidumbre cuántica.Sin embargo, los investigadores del ICFO Dr. Giorgio Colangelo, Ferran Martin Ciurana, Lorena C. Bianchet y el Dr. Robert J. Sewell, dirigidos por el profesor ICREA en ICFO Morgan W. Mitchell, han refutado las expectativas de larga data."Seguimiento simultáneo del ángulo de giro y la amplitud más allá de los límites clásicos", publicado esta semana en Naturaleza , describen cómo un instrumento diseñado adecuadamente puede evitar casi por completo la incertidumbre cuántica.
El truco consiste en darse cuenta de que el giro no tiene uno sino dos ángulos de puntería, uno para la dirección noreste-sur-oeste y el otro para la elevación sobre el horizonte. El equipo de ICFO mostró cómo colocar casi todosla incertidumbre en el ángulo que no es medido por el instrumento. De esta manera todavía obedecieron el requisito de incertidumbre de Heisenberg, pero ocultaron la incertidumbre donde no puede hacer daño. Como resultado, pudieron obtener una medición de amplitud angular deprecisión sin precedentes, no molestada por la incertidumbre cuántica.
El profesor Mitchell utiliza una analogía sólida para afirmar que "para los científicos, el principio de incertidumbre es muy frustrante; nos gustaría saberlo todo, pero Heisenberg dice que no podemos. En este caso, encontramos una manerasaber todo lo que nos importa. Es como la canción de los Rolling Stones: no siempre puedes obtener lo que quieres / pero si lo intentas a veces puedes encontrar / obtienes lo que necesitas "
En su estudio, el equipo de ICFO enfrió una nube de átomos a unos pocos micro grados Kelvin, aplicó un campo magnético para producir movimiento de rotación como en la resonancia magnética e iluminó la nube con un láser para medir la orientación de las vueltas atómicasObservaron que tanto el ángulo de giro como la incertidumbre pueden monitorearse continuamente con una sensibilidad más allá de los límites previamente esperados, aunque todavía obedecen el principio de Heisenberg.
En cuanto a los desafíos enfrentados durante el experimento, Colangelo comenta que "en primer lugar, tuvimos que desarrollar un modelo teórico para ver si lo que queríamos hacer era realmente posible. Entonces, no todas las tecnologías que utilizamos para el experimentoexistíamos cuando comenzamos: entre ellos, tuvimos que diseñar y desarrollar un detector particular que fuera lo suficientemente rápido y con muy poco ruido. También tuvimos que mejorar mucho la forma en que estábamos "preparando" los átomos y encontrar una manera de utilizarlos eficientementetodo el rango dinámico que teníamos en el detector. Fue una batalla contra el Lado Oscuro de Quantum, ¡pero lo ganamos! "
Los resultados del estudio son de suma importancia ya que esta nueva técnica muestra que es posible obtener mediciones aún más precisas de los giros atómicos, abriendo un nuevo camino para el desarrollo de instrumentos mucho más sensibles y permitiendo la detección de señales, comocomo ondas gravitacionales o actividad cerebral, con una precisión sin precedentes.
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Materiales proporcionados por ICFO-El Instituto de Ciencias Fotónicas . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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