Actualizado 24/03/2017 17:43 CET

Eliminada la incertidumbre cuántica en la medición del espín atómico

Evolución de un espín y su incertidumbre orbitando en un campo magnético
ICFO

   MADRID, 24 Mar. (EUROPA PRESS) -

   Una nueva técnica, que elude el principio de incertidumbre de Heisenberg, puede mejorar drásticamente la sensibilidad de instrumentos como resonadores magnéticos (MRI) y relojes atómicos.

   La técnica, publicada en Nature por investigadores del ICFO (Instituto de Ciencias Fotónicas) de Barcelona, oculta una incertidumbre cuántica en rasgos atómicos no vistos por el instrumento, permitiendo a los científicos hacer mediciones de precisión muy altas.

   Los sensores de última generación, como las resonancias magnéticas y los relojes atómicos, son capaces de realizar mediciones con exquisita precisión. La resonancia magnética se utiliza para obtener imagen de los tejidos profundos dentro del cuerpo humano y nos dice si podríamos sufrir de una enfermedad, mientras que los relojes atómicos son cronometristas muy precisos utilizados para el GPS, la sincronización de Internet, y la interferometría de línea de base larga en radioastronomía.

   Se podría pensar que estos dos instrumentos no tienen nada en común, pero lo hacen: ambas tecnologías se basan en la medición precisa del espín del átomo, el movimiento giroscópico de los electrones y el núcleo. En la resonancia magnética, por ejemplo, el ángulo de orientación del espín proporciona información sobre dónde se encuentra el átomo en el cuerpo, mientras que la cantidad de espín (la amplitud) se utiliza para distinguir diferentes tipos de tejido. Combinando estas dos piezas de información, la MRI puede hacer un mapa 3D de los tejidos en el cuerpo.

La sensibilidad de este tipo de medición fue pensada durante mucho tiempo como 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 medición que se puede obtener en otra propiedad.

   Por ejemplo, si medimos la posición de un electrón con alta precisión, el principio de Heisenberg limita la precisión en la medición de su momento. Dado que la mayoría de los instrumentos atómicos miden dos propiedades (amplitud y ángulo de giro), el principio parece indicar que las lecturas siempre contendrán cierta incertidumbre cuántica.

   Sin embargo, esta expectativa ha sido refutada por los investigadores del ICFO Giorgio Colangelo, Ferran Martin Ciurana, Lorena C. Bianchet y Robert J. Sewell, dirigidos por Morgan W. Mitchell. En su artículo "Seguimiento simultáneo del ángulo de giro y amplitud más allá de los límites clásicos", publicado esta semana en Nature, describen cómo un instrumento correctamente diseñado puede evitar casi completamente la incertidumbre cuántica.

   El truco consiste en darse cuenta de que el espín no tiene uno, sino dos ángulos que apuntan, uno para la dirección noreste-sur-oeste y el otro para la elevación por encima del horizonte. El equipo de ICFO mostró cómo poner casi toda la incertidumbre en el ángulo que no es medido por el instrumento. De este modo, obedecieron la exigencia de incertidumbre de Heisenberg, pero ocultaron la incertidumbre en la que no podía hacer daño. Como resultado de ello, fueron capaces de obtener una medida de ángulo-amplitud de precisión sin precedentes, sin ser molestados por la incertidumbre cuántica.

   Mitchell utiliza una sólida analogía para afirmar en un comunicado que "para los científicos, el principio de incertidumbre es muy frustrante: nos gustaría saberlo todo, pero Heisenberg dice que no podemos, pero en este caso encontramos una manera de saber todo lo que es importante para nosotros; es como la canción de los Rolling Stones: no siempre se puede conseguir lo que se quiere, pero si lo intentas a veces solo encontrarás lo que necesitas".

   En su estudio, el equipo del ICFO enfrió una nube de átomos a unos pocos grados Kelvin, aplicó un campo magnético para producir movimiento de giro como en MRI, e iluminó la nube con un láser para medir la orientación de los espines. Observaron que tanto el espín de giro como la incertidumbre pueden ser monitoreados continuamente con una sensibilidad más allá de los límites previamente esperados, aunque siguen obedeciendo el principio de Heisenberg.

   En cuanto a los retos a los que se enfrentó durante el experimento, Colangelo comenta: "en primer lugar, tuvimos que desarrollar un modelo teórico para ver si lo que queríamos hacer era realmente posible. No todas las tecnologías que utilizamos para el experimento existían cuando empezamos: 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 usar eficientemente todo el rango dinámico que teníamos en el detector. Fue una batalla contra el Lado Oscuro de Quantum, pero la 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 espines del átomo, abriendo una nueva vía al desarrollo de instrumentos mucho más sensibles y permitiendo la detección de señales como la gravitacional de ondas o la actividad cerebral, con una precisión sin precedentes.