Measuring the spin of a spin-1/2 and getting a result of 7

Durante casi un siglo, los físicos han lidiado con una regla peculiar del mundo cuántico: el acto de medir algo inevitablemente lo cambia. En la visión estándar, para averiguar dónde está una partícula o cómo es su giro, uno debe interactuar con ella con la suficiente fuerza como para forzar una respuesta definida. Esta interacción usualmente golpea a la partícula, desordenando su estado y haciendo imposible saber qué estaba haciendo antes de la medición. Sin embargo, surgió un enfoque diferente a finales de la década de 1980, que sugería que si una medición se realiza de forma muy suave —tan suavemente que apenas perturba el sistema en absoluto— y luego es seguida por un chequeo muy específico y poco probable del estado final del sistema, algo extraño puede suceder. El resultado promedio de estas mediciones suaves puede ser amplificado a un grado que parece imposible, produciendo un número que se sitúa mucho más allá del rango de valores que la propiedad que se está midiendo podría tomar normalmente. Este fenómeno, conocido como amplificación de valor débil, depende de una delicada interferencia entre el estado inicial del sistema y un estado final que es casi, pero no del todo, incompatible con este. Aunque este efecto ha sido observado muchas veces con la luz, donde las ondas se superponen e interfieren fácilmente, ha permanecido esquivo con la materia, porque los átomos son mucho más difíciles de mantener en un estado coherente y ondulatorio a través de largas distancias.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Toronto ha realizado con éxito este difícil experimento utilizando átomos, materializando una versión de la propuesta que fue sugerida por primera vez hace décadas. Trabajaron con una nube de átomos de rubidio enfriados a una temperatura tan baja que formaron un objeto cuántico único conocido como condensado de Bose-Einstein. En este estado, los átomos se comportan como una única onda gigante en lugar de partículas individuales. Los investigadores se propusieron medir el "espín" de estos átomos, una propiedad que describe su orientación magnética intrínseca. En un experimento normal, medir el espín implicaría un campo magnético fuerte que empujaría a los átomos con una dirección de espín en una dirección y a los átomos con la dirección opuesta en otra, creando dos grupos distintos y separados. Los investigadores, sin embargo, querían realizar una medición "débil". Aplicaron un gradiente magnético tan suave que los dos grupos de espín no se separaron en puntos distintos; en su lugar, sus trayectorias ondulatorias se superpusieron e interfirieron entre sí.

Para observar el efecto de amplificación, el equipo tuvo que realizar un paso final que parecía contraintuitivo. Después del suave empuje, seleccionaron solo aquellos átomos que terminaron en un estado final que era casi, pero no perfectamente, opuesto a cómo empezaron. Debido a que este estado final era tan improbable, la superposición entre las condiciones iniciales y finales era minúscula. Según la teoría de los valores débiles, esta diminuta superposición actúa como un denominador que puede hacer que el efecto medido parezca enorme. Los investigadores descubrieron que, al realizar esta selección improbable, el pequeño golpe de momento que los átomos recibieron del campo magnético fue magnificado por un factor de catorce. Los átomos que sobrevivieron a este proceso de selección se movieron con un desplazamiento de velocidad efectiva de aproximadamente 8 micrómetros por segundo, una velocidad que es increíblemente pequeña y difícil de detectar directamente. Sin embargo, a través de la amplificación, la medición apareció como si el espín se hubiera medido con un valor de 7, a pesar de que el espín de un solo átomo solo puede ser siempre más o menos un medio.

El experimento demostró que esta amplificación no es un truco matemático sino un efecto físico real que depende de la "debilidad" de la medición inicial. Cuando los investigadores aumentaron la fuerza del empuje magnético, haciendo la medición menos débil, el efecto de amplificación disminuyó y los resultados volvieron al rango normal. Esto confirmó que los números extraños y grandes eran una consecuencia directa del delicado equilibrio entre la interacción suave y la selección final improbable. El equipo también observó que el efecto era más pronunciado cuando los átomos estaban en un estado que les permitía interferir claramente, una condición que es mucho más difícil de lograr con la materia que con la luz. Al utilizar una nube de átomos que fue cuidadosamente preparada y enfriada, pudieron mantener la coherencia necesaria para observar esta interferencia.

Este trabajo marca la primera vez que se ha medido tal valor débil anómalo utilizando el espín de una partícula con una sonda verdaderamente continua, y es la primera observación de este efecto utilizando átomos. Los investigadores demostraron que, a pesar de los desafíos de trabajar con ondas de materia, que tienden a perder su coherencia en distancias muy cortas, es posible observar estos signals amplificados. La capacidad de magnificar un pequeño golpe de momento por un factor tan grande abre la puerta a nuevas formas de medir fuerzas o campos magnéticos extremadamente pequeños. Si bien el experimento actual requirió un filtrado cuidadoso que descartó a la mayoría de los átomos para encontrar los raros que mostraban el efecto, el éxito demuestra que la técnica es viable. El trabajo futuro podría refinar estos métodos para hacerlos más prácticos para aplicaciones de sensores, permitiendo potencialmente a los científicos detectar señales magnéticas diminutas que actualmente están ocultas en el ruido. El estudio constituye una demostración concreta de que las extrañas predicciones de la mecánica cuántica, que una vez se pensó limitadas a la luz, pueden cobrar vida en el mundo tangible de los átomos.