Imaginen tratar de medir una pelota de tenis que rebota violentamente, a una distancia de un millón de veces mayor que su propio tamaño.
El rebote obviamente crea un enorme «ruido de fondo» que interfiere con la medición. Pero si el dispositivo de medición es colocado directamente en la pelota, y rebotan juntos, se elimina el problema del ruido.
Tal como ha sido recientemente reportado en la revista Nature, los físicos del Instituto Weizmann de Ciencia utilizaron un truco similar para medir la interacción entre los imanes más pequeños – dos electrones individuales – después de neutralizar el ruido magnético que era un millón de veces más fuerte que la señal que necesitaban detectar.
El Dr. Roee Ozeri, del Departamento de Física de Sistemas Complejos del Instituto, dice: «El electrón tiene espín, una forma de orientación que involucra dos polos magnéticos opuestos.
De hecho, se trata de una pequeña barra magnética”. La pregunta es si pares de electrones se comportan como imanes regulares cuyos polos opuestos son atraídos entre sí.
El Dr. Shlomi Kotler realizó esta investigación durante su doctorado, bajo la guía del Dr. Ozeri, con los Dres. Nitzan Akerman, Nir Navon e Yinnon Glickman.
Detectar la interacción magnética de dos electrones plantea un enorme desafío: cuando los electrones se encuentran en un rango cercano – lo que ocurre comúnmente en la órbita atómica – prevalecen fuerzas distintas a la magnética.
Por otro lado, si los electrones son separados, la fuerza magnética se vuelve dominante, pero tan débil en términos absolutos que es fácilmente sobrepasada por el ruido magnético ambiental que emana de las líneas eléctricas, del equipo de laboratorio y del campo magnético de la tierra.
Los científicos solucionaron el problema utilizando un truco de la computación cuántica para proteger la información cuántica de la interferencia externa.
Esta técnica une dos electrones de manera que sus espines apunten en direcciones opuestas. Por lo tanto, tal como la pelota de tenis que rebota en conjunto con el dispositivo de medición, la combinación de espines iguales pero en sentidos opuestos hace que el par de electrones sea insensible al ruido magnético.
Los científicos del Weizmann construyeron una trampa eléctrica en la cual dos electrones están ligados a dos iones de estroncio que son enfriados cerca del cero absoluto y separados por 2 micrómetros (millonésimas de metro).
A esta distancia, que es astronómica para los estándares del mundo cuántico, la interacción magnética es muy débil.
Pero debido a que los pares de electrones no se ven afectados por el ruido magnético externo, las interacciones entre ellos pueden ser medidas con gran precisión.
La medición se prolongó durante 15 segundos – decenas de miles de veces mayor a los milisegundos durante los cuales los científicos hasta ahora han sido capaces de conservar los efectos cuánticos.
Relojes atómicos
Las mediciones mostraron que los electrones interactúan magnéticamente de la misma forma que lo hacen dos grandes imanes: sus polos norte se repelen entre sí, girando sobre sus ejes hasta que sus polos opuestos se atraen.
Esto coincide con las predicciones del Modelo Estándar, la teoría de la materia actualmente aceptada. También como se predijo, la interacción magnética se debilita como función del cubo de la distancia entre ellos.
Además de revelar un principio fundamental de la física de partículas, el método de medición desarrollado podría resultar útil en áreas tales como el desarrollo de relojes atómicos o el estudio de sistemas cuánticos en un entorno ruidoso.
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