许多看似无关的科学技术，从核磁共振波谱学到医学核磁共振成像和使用原子钟的计时，都依赖于测量原子自旋——原子核和电子相互旋转的方式。这些测量可以达到的精度极限是由量子力学固有的模糊性设定的。然而，西班牙的物理学家证明了这个极限远没有之前认为的那么严格，他们以前所未有的精度同时测量了两个关键量。
量子力学极限的核心是海森堡不确定性原理，它指出不可能绝对精确地知道粒子的位置和动量，而且你测量一个量越精确，你对另一个量的了解就越少。这是因为要测量粒子的位置，你必须通过用另一个粒子撞击它并观察这个第二个粒子的动量如何变化来扰乱它的动量。类似的原理适用于测量粒子的自旋角动量，这涉及到观察入射光的偏振如何被与粒子的相互作用所改变——每次测量都会稍微扰乱原子的自旋。为了推断自旋进动速率，你需要重复测量自旋角以及它的整体振幅。然而，每次测量都会稍微扰乱自旋，从而产生一个最小的可能不确定性。
摩根·米切尔在巴塞罗那光子科学研究所的小组提出的另一种方法可以规避这个问题。他们说，自旋角实际上是两个角：方位角（如地球表面的经度）和极角（如纬度）。要测量进动速率，你只需要方位角。因此，通过将尽可能多的不确定性加载到极角中，你可以测量你需要的两个量——自旋的方位角和振幅——因此比以前认为的可能更准确地测量自旋进动速率。“人们现在正在做的一些实验，人们期望会受到海森堡不确定性原理的限制，但实际上并非如此，”米切尔说。
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然而，在实践中实现这一点被证明极其困难。该团队将一团原子冷却到几微开尔文，施加磁场以产生自旋运动，并用激光照射原子云以测量原子自旋的方向。“并非所有我们用于实验的技术在我们开始时就存在，”研究团队的另一位成员乔治·科朗格洛说。“我们不得不设计和开发一种足够快且噪声非常低的特定探测器。我们还必须大大改进我们制备原子的方式，并找到一种有效利用我们在探测器中拥有的所有动态范围的方法。”研究人员希望原子计时和氮-空位磁力计，后者使用钻石中氮缺陷的进动来测量磁场，可能会在未来几年从这里揭示的技术中受益。“我们真的希望，从长远来看，核磁共振和核磁共振成像等磁共振技术可能会受益，但目前它们受到其他一些效应的限制，”科朗格洛说。
丹麦哥本哈根大学的尤金·波尔齐克印象深刻：“它为使用量子自旋集合测量某些磁场扰动设定了一种新的巧妙方法，”他说。“对我来说，很容易看到这一点并说‘哦，是的，对：它不违反量子力学’，但要弄清楚如何实现这一点，了解它有多相关以及在什么情况下相关——这是一个出色而优雅的发展。”
参考文献
G 科朗格洛等，自然， 2017, DOI: 10.1038/nature21434