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

Per quasi un secolo, i fisici hanno lottato con una regola peculiare del mondo quantistico: l'atto di misurare qualcosa cambia inevitabilmente quel qualcosa. Nella visione standard, per scoprire dove si trova una particella o come sia il suo spin, è necessario interagire con essa abbastanza fortemente da forzare una risposta definitiva. Questa interazione solitamente dà un colpo alla particella, rimescolando il suo stato e rendendo impossibile sapere cosa stesse facendo prima della misurazione. Tuttavia, un approccio diverso emerse alla fine degli anni '80, suggerendo che se una misurazione viene effettuata molto delicatamente — così delicatamente da disturbare appena il sistema — e poi seguita da un controllo molto specifico e improbabile dello stato finale del sistema, qualcosa di strano può accadere. Il risultato medio di queste misurazioni deboli può essere amplificato a un grado che sembra impossibile, producendo un numero che si colloca molto al di fuori dell'intervallo di valori che la proprietà misurata potrebbe normalmente assumere. Questo fenomeno, noto come amplificazione del valore debole, si basa su un delicato intervento tra lo stato iniziale del sistema e uno stato finale che è quasi, ma non del tutto, incompatibile con esso. Sebbene questo effetto sia stato osservato molte volte con la luce, dove le onde si sovrappongono e interferiscono facilmente, è rimasto elusivo con la materia, poiché gli atomi sono molto più difficili da mantenere in uno stato coerente e ondulatorio su lunghe distanze.

Un team di ricercatori dell'Università di Toronto ha ora eseguito con successo questo difficile esperimento utilizzando gli atomi, realizzando una versione della proposta che era stata suggerita decenni fa. Hanno lavorato con una nuvola di atomi di rubidio raffreddata a una temperatura così bassa da formare un singolo oggetto quantistico noto come condensato di Bose-Einstein. In questo stato, gli atomi si comportano come un'unica grande onda piuttosto che come singole particelle. I ricercatori si sono posti l'obiettivo di misurare lo "spin" di questi atomi, una proprietà che descrive la loro orientazione magnetica intrinseca. In un esperimento normale, misurare lo spin comporterebbe un campo magnetico forte che spinge gli atomi con una direzione di spin in una direzione e gli atomi con la direzione opposta nell'altra, creando due gruppi distinti e separati. I ricercatori, tuttavia, volevano eseguire una misurazione "debole". Hanno applicato un gradiente magnetico così delicato che i due gruppi di spin non si sono separati in punti distinti; invece, i loro percorsi ondulatori si sono sovrapposti e sono interferiti tra loro.

Per osservare l'effetto di amplificazione, il team ha dovuto compiere un passaggio finale che appariva controintuitivo. Dopo la spinta delicata, hanno selezionato solo quegli atomi che finivano in uno stato finale specifico, quasi, ma non perfettamente, opposto a come erano iniziati. Poiché questo stato finale era così improbabile, la sovrapposizione tra le condizioni iniziali e finali era minuscola. Secondo la teoria dei valori deboli, questa minuscola sovrapposizione agisce come un denominatore che può rendere enorme l'effetto misurato. I ricercatori hanno scoperto che, rendendo questa selezione improbabile, la minuscola spinta di quantità di moto ricevuta dagli atomi dal campo magnetico è stata amplificata di un fattore quattordici. Gli atomi che sono sopravvissuti a questo processo di selezione si muovevano con uno spostamento di velocità efficace di circa 8 micrometri al secondo, una velocità incredibilmente piccola e difficile da rilevare direttamente. Eppure, attraverso l'amplificazione, la misurazione appariva come se lo spin fosse stato misurato con un valore di 7, nonostante lo spin di un singolo atomo possa essere solo più o meno un mezzo.

L'esperimento ha dimostrato che questa amplificazione non è un trucco matematico ma un effetto fisico reale che dipende dalla "debolezza" della misurazione iniziale. Quando i ricercatori hanno aumentato la forza della spinta magnetica, rendendo la misurazione meno debole, l'effetto di amplificazione è diminuito e i risultati sono tornati all'intervallo normale. Ciò ha confermato che i numeri grandi e strani erano una conseguenza diretta del delicato equilibrio tra l'interazione gentile e l'improbabile selezione finale. Il team ha anche notato che l'effetto era più pronunciato quando gli atomi erano in uno stato che permetteva loro di interferire chiaramente, una condizione molto più difficile da raggiungere con la materia rispetto alla luce. Utilizzando una nuvola di atomi che era stata accuratamente preparata e raffreddata, sono stati in grado di mantenere la necessaria coerenza per osservare questa interferenza.

Questo lavoro segna la prima volta che un tale valore debole anomalo è stato misurato utilizzando lo spin di una particella con una vera sonda continua, ed è la prima osservazione di questo effetto utilizzando gli atomi. I ricercatori hanno dimostrato che, nonostante le sfide del lavoro con le onde di materia, che tendono a perdere la loro coerenza su distanze molto brevi, è possibile osservare questi segnali amplificati. La capacità di amplificare una minuscola spinta di quantità di moto di un fattore così grande apre la porta a nuovi modi per misurare forze o campi magnetici estremamente piccoli. Sebbene l'attuale esperimento abbia richiesto un filtraggio accurato che ha scartato la maggior parte degli atomi per trovare quelli rari che mostravano l'effetto, il successo dimostra che la tecnica è praticabile. Il lavoro futuro potrebbe perfezionare questi metodi per renderli più pratici per le applicazioni di sensori, permettendo potenzialmente agli scienziati di rilevare segnali magnetici minuti che sono attualmente nascosti nel rumore. Lo studio rappresenta una dimostrazione concreta che le strane predizioni della meccanica quantistica, una volta ritenute limitate alla luce, possono prendere vita nel mondo tangibile degli atomi.