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

Al bijna een eeuw worstelen natuurkundigen met een vreemde regel van de kwantumwereld: het proces van het meten van iets verandert dat iets onvermijdelijk. In de standaardvisie moet men, om te ontdekken waar een deeltje zich bevindt of hoe het draait, er sterk genoeg mee interageren om een definitief antwoord af te dwingen. Deze interactie geeft het deeltje meestal een zetje, waardoor de toestand wordt verstoord en het onmogelijk wordt om te weten wat het deeltje aan het doen was vóór de meting. Echter, een andere benadering kwam eind jaren tachtig naar voren, die suggereerde dat als een meting zeer voorzichtig wordt uitgevoerd — zo voorzichtig dat het het systeem nauwelijks verstoort — en vervolgens wordt gevolgd door een zeer specifieke, onwaarschijnlijke controle van de uiteindelijke toestand van het systeem, er iets vreemds kan gebeuren. Het gemiddelde resultaat van deze voorzichtige metingen kan worden versterkt tot een mate die onmogelijk lijkt, waarbij een getal wordt geproduceerd dat ver buiten het bereik van de waarden ligt die de gemeten eigenschap normaal gesproken ooit zou kunnen aannemen. Dit fenomeen, bekend als zwakke waarde-versterking (weak value amplification), berust op een delicaat evenwicht tussen de initiële toestand van het systeem en een eindtoestand die bijna, maar net niet quite, incompatibel is met de eerste. Hoewel dit effect vele malen is waargenomen met licht, waarbij golven gemakkelijk overlappen en interfereren, is het met materie ongrijpbaar gebleven, omdat atomen veel moeilijker in een coherente, golfachtige toestand te houden zijn over lange afstanden.

Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Toronto heeft nu deze moeilijke experimentele uitvoering met succes uitgevoerd met behulp van atomen, waarbij zij een versie van het voorstel realiseerden dat decennia geleden voor het eerst werd gesuggereerd. Zij werkten met een wolk rubidiumatomen die zo sterk was afgekoeld dat ze één enkel kwantumobject vormden, een Bose-Einsteincondensaat. In deze toestand gedragen de atomen zich als één enkele reusachtige golf in plaats van individuele deeltjes. De onderzoekers zetten zich af om de "spin" van deze atomen te meten, een eigenschap die hun intrinsieke magnetische oriëntatie beschrijft. In een normaal experiment zou het meten van spin een sterk magnetisch veld inhouden dat atomen met de ene spinrichting de ene kant op duwt en atomen met de tegenovergestelde spin de andere kant op, waardoor twee duidelijke, gescheiden groepen ontstaan. De onderzoekers wilden echter een "zwakke" meting uitvoeren. Ze pasten een magnetische gradiënt toe die zo zacht was dat de twee spingroepen niet in afzonderlijke plekken uiteenvielen; in plaats daarvan overlapten en interfereerden hun golfachtige paden met elkaar.

Om het versterkingseffect te zien, moest het team een laatste stap uitvoeren die contra-intuïtief leek. Na de zachte duw selecteerden zij alleen die atomen die in een specifieke eindtoestand terechtkwamen die bijna, maar niet perfect, tegengesteld was aan hoe ze begonnen. Omdat deze eindtoestand zo onwaarschijnlijk was, was de overlap tussen de begin- en eindcondities minuscuul. Volgens de theorie van zwakke waarden werkt deze kleine overlap als een noemer die het gemeten effect enorm kan laten lijken. De onderzoekers ontdekten dat door deze onwaarschijnlijke selectie te maken, de kleine impulsstoot die de atomen van het magnetische veld kregen, werd vergroot met een factor veertien. De atomen die dit selectieproces overleefden, bewogen met een effectieve snelheidsverschuiving van ongeveer 8 micrometer per seconde, een snelheid die ongelooflijk klein en moeilijk direct te detecteren is. Toch verscheen de meting door de versterking alsof de spin een waarde van 7 had gehad, terwijl de spin van een enkel atoom slechts plus of min een halve kan zijn.

Het experiment toonde aan dat deze versterking geen wiskundige truc is, maar een echt fysiek effect dat afhankelijk is van de "zwakte" van de initiële meting. Wanneer de onderzoekers de kracht van de magnetische duw vergrootten, waardoor de meting minder zwak werd, nam het versterkingseffect af en keerden de resultaten terug naar het normale bereik. Dit bevestigde dat de vreemde, grote getallen een direct gevolg waren van het delicate evenwicht tussen de zachte interactie en de onwaarschijnlijke uiteindelijke selectie. Het team merkte ook op dat het effect het meest uitgesproken was wanneer de atomen zich in een toestand bevonden die hen in staat stelde om duidelijk te interfereren, een conditie die veel moeilijker te bereiken is met materie dan met licht. Door een wolk atomen te gebruiken die zorgvuldig was voorbereid en afgekoeld, waren zij in staat om de noodzakelijke coherentie te behouden om deze interferentie te observeren.

Dit werk markeert de eerste keer dat een dergelijke afwijkende zwakke waarde is gemeten met behulp van de spin van een deeltje met een echte continue probe, en het is de eerste observatie van dit effect met behulp van atomen. De onderzoekers toonden aan dat, ondanks de uitdagingen van het werken met materiegolven, die de neiging hebben hun coherentie over zeer korte afstanden te verliezen, het mogelijk is om deze versterkte signalen te observeren. Het vermogen om een minuscule impulsstoot met een dergelijk groot factor te vergroten, opent de deur naar nieuwe manieren om extreem kleine krachten of magnetische velden te meten. Hoewel het huidige experiment zorgvuldige filtering vereiste waarbij de meeste atomen werden weggegooid om de zeldzame te vinden die het effect vertoonden, bewijst het succes dat de techniek levensvatbaar is. Toekomstig werk zou deze methoden kunnen verfijnen om ze praktischer te maken voor sensorische toepassingen, wat potentieel wetenschappers in staat stelt om minuscule magnetische signalen te detecteren die momenteel verborgen liggen in de ruis. De studie staat als een concreet bewijs dat de vreemde voorspellingen van de kwantummechanica, die ooit gedacht werden beperkt te zijn tot licht, tot leven kunnen worden gebracht in de tastbare wereld van atomen.