許多看似無關的科學技術，從核磁共振波譜學到醫學核磁共振成像和使用原子鐘的計時，都依賴於測量原子自旋——原子核和電子相互旋轉的方式。這些測量可以達到的精度極限是由量子力學固有的模糊性設定的。然而，西班牙的物理學家證明了這個極限遠沒有之前認為的那麼嚴格，他們以前所未有的精度同時測量了兩個關鍵量。
量子力學極限的核心是海森堡不確定性原理，它指出不可能絕對精確地知道粒子的位置和動量，而且你測量一個量越精確，你對另一個量的瞭解就越少。這是因為要測量粒子的位置，你必須透過用另一個粒子撞擊它並觀察這個第二個粒子的動量如何變化來擾亂它的動量。類似的原理適用於測量粒子的自旋角動量，這涉及到觀察入射光的偏振如何被與粒子的相互作用所改變——每次測量都會稍微擾亂原子的自旋。為了推斷自旋進動速率，你需要重複測量自旋角以及它的整體振幅。然而，每次測量都會稍微擾亂自旋，從而產生一個最小的可能不確定性。
摩根·米切爾在巴塞羅那光子科學研究所的小組提出的另一種方法可以規避這個問題。他們說，自旋角實際上是兩個角：方位角（如地球表面的經度）和極角（如緯度）。要測量進動速率，你只需要方位角。因此，透過將盡可能多的不確定性載入到極角中，你可以測量你需要的兩個量——自旋的方位角和振幅——因此比以前認為的可能更準確地測量自旋進動速率。“人們現在正在做的一些實驗，人們期望會受到海森堡不確定性原理的限制，但實際上並非如此，”米切爾說。
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然而，在實踐中實現這一點被證明極其困難。該團隊將一團原子冷卻到幾微開爾文，施加磁場以產生自旋運動，並用雷射照射原子雲以測量原子自旋的方向。“並非所有我們用於實驗的技術在我們開始時就存在，”研究團隊的另一位成員喬治·科朗格洛說。“我們不得不設計和開發一種足夠快且噪聲非常低的特定探測器。我們還必須大大改進我們製備原子的方式，並找到一種有效利用我們在探測器中擁有的所有動態範圍的方法。”研究人員希望原子計時和氮-空位磁力計，後者使用鑽石中氮缺陷的進動來測量磁場，可能會在未來幾年從這裡揭示的技術中受益。“我們真的希望，從長遠來看，核磁共振和核磁共振成像等磁共振技術可能會受益，但目前它們受到其他一些效應的限制，”科朗格洛說。
丹麥哥本哈根大學的尤金·波爾齊克印象深刻：“它為使用量子自旋集合測量某些磁場擾動設定了一種新的巧妙方法，”他說。“對我來說，很容易看到這一點並說‘哦，是的，對：它不違反量子力學’，但要弄清楚如何實現這一點，瞭解它有多相關以及在什麼情況下相關——這是一個出色而優雅的發展。”
參考文獻
G 科朗格洛等，自然， 2017, DOI: 10.1038/nature21434