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

Por quase um século, físicos têm lidado com uma regra peculiar do mundo quântico: o ato de medir algo inevitavelmente o altera. Na visão padrão, para descobrir onde uma partícula está ou como ela está girando, é necessário interagir com ela de forma suficientemente forte para forçar uma resposta definitiva. Essa interação geralmente dá um "chute" na partícula, embaralhando seu estado e tornando impossível saber o que ela estava fazendo antes da medição. No entanto, uma abordagem diferente surgiu no final da década de 1980, sugerindo que, se uma medição for feita de forma muito suave — tão suave que mal perturba o sistema — e for seguida por uma verificação muito específica e improvável do estado final do sistema, algo estranho pode acontecer. O resultado médio dessas medições suaves pode ser amplificado a um grau que parece impossível, produzindo um número que reside muito além do intervalo de valores que a propriedade sendo medida poderia normalmente assumir. Esse fenômeno, conhecido como amplificação de valor fraco, baseia-se em uma interferência delicada entre o estado inicial do sistema e um estado final que é quase, mas não totalmente, incompatível com ele. Embora esse efeito tenha sido observado muitas vezes com a luz, onde ondas se sobrepõem e interferem facilmente, ele permaneceu elusivo com a matéria, porque os átomos são muito mais difíceis de manter em um estado coerente e ondulatório ao longo de longas distâncias.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Toronto realizou agora este difícil experimento usando átomos, realizando uma versão da proposta que foi sugerida pela primeira vez décadas atrás. Eles trabalharam com uma nuvem de átomos de rubídio resfriados a uma temperatura tão baixa que formaram um objeto quântico único conhecido como condensado de Bose-Einstein. Nesse estado, os átomos se comportam como uma única onda gigante em vez de partículas individuais. Os pesquisadores propuseram-se a medir o "spin" desses átomos, uma propriedade que descreve sua orientação magnética intrínseca. Em um experimento normal, medir o spin envolveria um campo magnético forte que empurraria os átomos com uma direção de spin para um lado e os átomos com a direção oposta para o outro, criando dois grupos distintos e separados. Os pesquisadores, no entanto, queriam realizar uma medição "fraca". Eles aplicaram um gradiente magnético tão suave que os dois grupos de spin não se separaram em pontos distintos; em vez disso, seus caminhos ondulatórios se sobrepuseram e interferiram uns nos outros.

Para observar o efeito de amplificação, a equipe teve que realizar uma etapa final que parecia contraintuitiva. Após o empurrão suave, eles selecionaram apenas os átomos que terminaram em um estado final específico que era quase, mas não perfeitamente, oposto ao estado inicial. Como esse estado final era tão improvável de ocorrer, a sobreposição entre as condições iniciais e finais era minúscula. De acordo com a teoria dos valores fracos, essa sobreposição minúscula atua como um denominador que pode fazer com que o efeito medido pareça enorme. Os pesquisadores descobriram que, ao fazer essa seleção improvável, o pequeno chute de momento que os átomos receberam do campo magnético foi amplificado por um fator de quatorze. Os átomos que sobreviveram a esse processo de seleção moveram-se com um deslocamento de velocidade efetiva de cerca de 8 micrômetros por segundo, uma velocidade que é incrivelmente pequena e difícil de detectar diretamente. No entanto, através da amplificação, a medição apareceu como se o spin tivesse sido medido com um valor de 7, embora o spin de um único átomo possa ser apenas mais ou menos um meio.

O experimento demonstrou que essa amplificação não é um truque matemático, mas um efeito físico real que depende da "fraqueza" da medição inicial. Quando os pesquisadores aumentaram a força do empurrão magnético, tornando a medição menos fraca, o efeito de amplificação diminuiu e os resultados retornaram à faixa normal. Isso confirmou que os números estranhos e grandes eram uma consequência direta do equilíbrio delicado entre a interação suave e a seleção final improvável. A equipe também observou que o efeito era mais pronunciado quando os átomos estavam em um estado que permitia que eles interferissem claramente, uma condição que é muito mais difícil de alcançar com a matéria do que com a luz. Ao usar uma nuvem de átomos que foi cuidadosamente preparada e resfriada, eles conseguiram manter a coerência necessária para observar essa interferência.

Este trabalho marca a primeira vez que tal valor fraco anômalo foi medido usando o spin de uma partícula com uma sonda verdadeiramente contínua, e é a primeira observação deste efeito usando átomos. Os pesquisadores mostraram que, apesar dos desafios de trabalhar com ondas de matéria, que tendem a perder sua coerência em distâncias muito curtas, é possível observar esses sinais amplificados. A capacidade de magnificar um pequeno chute de momento por um fator tão grande abre as portas para novas formas de medir forças ou campos magnéticos extremamente pequenos. Embora o experimento atual tenha exigido uma filtragem cuidadosa que descartou a maioria dos átomos para encontrar os raros que exibiam o efeito, o sucesso prova que a técnica é viável. Trabalhos futuros poderão refinar esses métodos para torná-los mais práticos para aplicações de sensoriamento, potencialmente permitindo que cientistas detectem sinais magnéticos ínfimos que estão atualmente ocultos no ruído. O estudo serve como uma demonstração concreta de que as estranhas previsões da mecânica quântica, uma vez que se pensava estarem limitadas à luz, podem ser trazidas à vida no mundo tangível dos átomos.