Mesurant els camps magnètics més diminuts del món amb el material més fred de l'univers

Els magnetòmetres mesuren la direcció, la força o els canvis relatius dels camps magnètics, en un punt concret de l'espai i el temps. Àmpliament usats en moltes àrees de recerca, poden ajudar els metges a veure el cervell a través d'imatges o als arqueòlegs a revelar tresors subterranis sense haver d'excavar el terra.

Alguns camps magnètics de gran interès, com els produïts pel cervell, són extraordinàriament febles, uns mil milions de vegades més febles que el camp magnètic de la Terra. Per això, calen magnetòmetres extremadament sensibles per poder detectar-los. S'han inventat diverses tecnologies singulars per poder mesurar-los, com dispositius superconductors i vapors atòmics amb sonda làser, i fins i tot s'han fet servir com a sensors magnètics les impureses que donen color a alguns diamants. No obstant això, el grau de sensibilitat de totes aquestes tecnologies s'ha estancat a aproximadament el mateix nivell de detall, cosa que significa que hi ha alguns senyals magnètics que són massa febles per ser detectats.

La física descriu aquesta limitació amb una quantitat anomenada resolució d’energia per amplada de banda, escrit E_R, un nombre que combina la resolució espacial, la durada del mesurament i la mida de l’àrea detectada. Cap a 1980, els sensors magnètics superconductors van aconseguir el nivell de resolució E_R = ħ i des de llavors, cap sensor ha estat capaç de millorar-ho. Aquest valor ħ, que es coneix com a “h barra”, és la constant fonamental de Planck, també anomenada quant d’acció.

Superar el límit de resolució d'energia

En un estudi publicat a PNAS, els investigadors de l'ICFO Silvana Palacios, Pau Gómez, Simon Coop i Chiara Mazzinghi, liderats pel professor ICREA Morgan Mitchell i en col·laboració amb Roberto Zamora de la Universitat d’Aalto, descriuen un nou magnetòmetre que assoleix, per primera vegada, una energia de resolució per amplada de banda que va molt més enllà d’aquest límit.

Per crear el sensor, l'equip va utilitzar un condensat de Bose-Einstein ^[1] de domini únic. El condensat estava format per àtoms de rubidi refredats a temperatures nano-Kelvin per refredament evaporatiu, en un buit gairebé perfecte, i sostingut contra la força de la gravetat gràcies a una trampa òptica. A aquestes temperatures ultra fredes els àtoms formen un superfluid magnètic, que respon als camps magnètics de la mateixa manera que ho fan les agulles d'una brúixola, i a més pot reorientar-se sense fricció ni viscositat. En aquestes condicions, un camp magnètic molt petit pot fer que el condensat es reorienti i, per tant, ser detectat. Els investigadors van demostrar que el seu magnetòmetre era capaç d'obtenir una resolució d'energia per amplada de banda d'E_R = 0.075 ħ, 17 vegades millor que qualsevol tecnologia prèvia.

Un avantatge qualitatiu

Amb aquests resultats, l'equip confirma que el sensor és capaç de detectar camps magnètics fins ara indetectables. La seva sensibilitat podria millorar encara més amb una millor tècnica d'acoblament de la llum a l'àtom, o utilitzant condensats de Bose-Einstein fets d'un altre tipus d'àtoms. Aquest magnetòmetre també pot ser útil per estudiar les propietats físiques dels materials i en la recerca de la matèria fosca de l'univers.

Més important encara, la troballa mostra que ħ no és un límit infranquejable, i això obre la porta al desenvolupament d'altres magnetòmetres molt sensibles, aplicables a múltiples àrees del coneixement com la neurociència i la biomedicina, on la detecció de camps magnètics extremadament febles, breus i localitzats podria permetre l’estudi de nous aspectes de la funció cerebral.