ICFO-forskare rapporterar upptäckten av en ny teknik som drastiskt kan förbättra känsligheten hos instrument som magnetiska resonansavbildare (MRI) och atomur. Studien, publicerad i Natur , rapporterar en teknik för att kringgå Heisenbergs osäkerhetsprincip. Denna teknik döljer kvantosäkerhet i atomära egenskaper som inte ses av instrumentet, gör det möjligt för forskarna att göra mätningar med mycket hög precision.

Senaste sensorer, såsom MRI och atomur, är kapabla att göra mätningar med utsökt precision. MRT används för att avbilda vävnader djupt inne i människokroppen och talar om för oss om vi kan lida av en sjukdom, medan atomklockor är extremt exakta tidmätare som används för GPS, internetsynkronisering, och lång baslinjeinterferometri inom radioastronomi. Man kan tro att dessa två instrument inte har något gemensamt, men de gör det:båda teknologierna är baserade på exakt mätning av atomens spinn, elektronernas och kärnans gyroskopliknande rörelse. Vid MRI, till exempel, pekvinkeln på spinnet ger information om var i kroppen atomen befinner sig, medan mängden spin (amplituden) används för att särskilja olika typer av vävnad. Genom att kombinera dessa två uppgifter, MRT kan göra en 3D-karta över vävnaderna i kroppen.

Känsligheten för denna typ av mätning ansågs länge vara begränsad av Heisenbergs osäkerhetsprincip, som säger att noggrant mätning av en egenskap hos en atom sätter en gräns för mätprecisionen du kan få på en annan egenskap. Till exempel, om vi mäter en elektrons position med hög precision, Heisenbergs princip begränsar noggrannheten i mätningen av dess momentum. Eftersom de flesta atominstrument mäter två egenskaper (spinamplitud och vinkel), principen tycks säga att avläsningarna alltid kommer att innehålla viss kvantosäkerhet. Denna långvariga förväntning har nu motbevisats, dock, av ICFO-forskarna Dr. Giorgio Colangelo, Ferran Martin Ciurana, Lorena C. Bianchet och Dr. Robert J. Sewell, leds av ICREA Prof. vid ICFO Morgan W. Mitchell. I deras artikel "Simultaneous tracking of spin angle and amplitude beyond classical limits", publiceras denna vecka i Natur , de beskriver hur ett korrekt designat instrument nästan helt kan undvika kvantosäkerhet.

Tricket är att inse att snurret inte har en utan två pekvinklar, en för nordost-sydvästlig riktning, och den andra för höjden över horisonten. ICFO-teamet visade hur man lägger nästan all osäkerhet i vinkeln som inte mäts av instrumentet. På så sätt lydde de fortfarande Heisenbergs krav på osäkerhet, men gömde ovissheten där det inte kan göra någon skada. Som ett resultat, de kunde erhålla en vinkel-amplitudmätning med oöverträffad precision, obesvärad av kvantosäkerhet.

Prof. Mitchell använder en solid analogi för att säga att "Till vetenskapsmän, osäkerhetsprincipen är väldigt frustrerande - vi vill veta allt, men Heisenberg säger att vi inte kan. I detta fall, fastän, vi hittade ett sätt att veta allt som betyder något för oss. Det är som Rolling Stones-låten:du kan inte alltid få vad du vill ha / men om du försöker ibland kanske du bara hittar / får du vad du behöver."

I deras studie, ICFO-teamet kylde ner ett moln av atomer till några mikrokelvin, applicerade ett magnetfält för att producera spinnrörelse som vid MRI, och belyste molnet med en laser för att mäta orienteringen av atomsnurrarna. De observerade att både spinnvinkeln och osäkerheten kan övervakas kontinuerligt med en känslighet bortom de tidigare förväntade gränserna, även om de fortfarande följer Heisenberg-principen.

När det gäller utmaningarna under experimentet, Colangelo kommenterar att "först och främst, vi var tvungna att utveckla en teoretisk modell för att se om det vi ville göra verkligen var möjligt. Sedan, inte all teknik vi använde för experimentet fanns när vi startade:bland dem, vi var tvungna att designa och utveckla en speciell detektor som var tillräckligt snabb och med mycket lågt brus. Vi var också tvungna att förbättra mycket hur vi "förberedde" atomerna och hitta ett sätt att effektivt använda allt dynamiskt omfång vi hade i detektorn. Det var en kamp mot den mörka sidan av Quantum, men vi vann!"

Resultaten av studien är av största vikt eftersom denna nya teknik visar att det är möjligt att få ännu mer exakta mätningar av atomspin, öppnar en ny väg för utveckling av mycket känsligare instrument och möjliggör detektering av signaler, såsom gravitationsvågor eller hjärnaktivitet, med oöverträffad noggrannhet.