SPIN YANG HANYA BISA ±½ MENUNJUKKAN 7
Ukurlah spin sebuah partikel “spin-½” di sepanjang satu arah, dan mekanika kuantum mengizinkan tepat dua hasil: +½ atau −½. Tidak ada di antaranya, tidak ada yang melampauinya. Meski begitu, sebuah tim di University of Toronto mengukur spin sistem seperti itu dan mendapatkan 7.
Tidak ada hukum yang dilanggar. Hasil ini adalah apa yang disebut fisikawan sebagai nilai lemah (weak value) anomali, dan sudah diramalkan hampir empat puluh tahun lalu.
Pengukuran yang lembut, lalu penyaringan
Dalam pengukuran kuantum, alat ukurnya — si “penunjuk” — juga merupakan objek kuantum. Biasanya, penunjuknya tajam: ia bergeser sejauh yang ditentukan oleh hasilnya, +½ atau −½, dan Anda membacanya.
Pada 1988, fisikawan Albert, Aharonov, dan Vaidman meninjau kasus kebalikannya. Buat penunjuknya sangat kabur, sehingga satu pengukuran hampir tidak memberi tahu apa-apa: inilah pengukuran lemah. Lalu simpan hanya sistem yang berakhir pada keadaan akhir yang dipilih — langkah yang disebut pascaseleksi (post-selection). Rata-rata, penunjuk lalu bergeser sebesar “nilai lemah”:
⟨A⟩_w = ⟨f| Â |i⟩ / ⟨f|i⟩
Ketika keadaan awal |i⟩ dan keadaan akhir yang dipilih |f⟩ nyaris tidak bertumpang tindih, penyebutnya menjadi sangat kecil dan nilai lemah bisa terletak jauh di luar rentang normal. Mereka mengusulkan untuk menunjukkannya pada spin sebuah partikel, dengan versi lembut dari eksperimen klasik Stern-Gerlach, di mana gradien medan magnet mendorong partikel ke satu arah atau arah lain sesuai spinnya.
Efek ini sejak itu sudah teramati berkali-kali dengan cahaya, dengan qubit superkonduktor, dan dengan neutron. Namun eksperimen spin itu sendiri belum pernah dilakukan. Alasannya: efek ini adalah interferensi, dan gelombang materi hanya tetap koheren pada jarak yang sangat kecil — kurang dari satu mikrometer untuk awan atom biasa di dekat kondensasi.
Awan atom sebagai satu gelombang
Joseph McGowan IV, Nicholas Mantella, Noah Baker, dan Aephraim Steinberg menggunakan kondensat Bose-Einstein: 5.000 hingga 10.000 atom rubidium-87 yang didinginkan hingga berperilaku sebagai satu gelombang koheren.
“Spin ½” mereka adalah sepasang keadaan internal atom. Dalam gradien medan magnet, kedua keadaan ini merasakan gaya yang sama besar dan berlawanan arah — persis seperti dua arah spin dalam magnet Stern-Gerlach, tetapi cukup lemah sehingga kedua belahan awan tetap bertumpang tindih dan berinterferensi. Penunjuknya adalah kecepatan atom. Tim kemudian melepaskan awan ke dalam pemandu optik yang lembut; seperempat osilasi kemudian, perbedaan kecepatan telah menjadi perbedaan posisi yang bisa dilihat kamera.
Pulsa gelombang mikro dengan panjang yang dapat diatur memilih keadaan akhir. Sudutnya, δ, menentukan seberapa tidak mungkin seleksinya: di dekat δ = 0, sangat sedikit atom yang disimpan.
Pergeseran terukur antara kedua belahan awan terhadap sudut seleksi δ. Dua garis putus-putus menandai pergeseran tanpa penguatan dan titik dengan penguatan terbesar, sekitar tujuh kali lebih tinggi. Hitam: prediksi nilai lemah; hijau: model untuk awan berukuran sama. — Gambar 2, McGowan dkk. (2026), arXiv:2609.37822.
Empat belas kali dorongan
Jauh dari δ = 0, kedua belahan awan terpisah hanya sebesar dua kali dorongan yang diberikan, sesuai harapan. Di dekatnya, pemisahan melonjak di kedua sisi, lalu turun ke nol pada δ = 0, tempat pendekatan “lemah” tidak lagi berlaku.
Dorongan magnetiknya sangat kecil: 4,4 mikrometer per detik. Untuk titik dengan penguatan terbesar, atom-atom terpilih bergerak seolah didorong 14 kali lebih kuat (dengan ketidakpastian ±6). Diterjemahkan ke spin, itu adalah nilai lemah 7 ± 3: seolah-olah spin sistem dua keadaan ini menunjukkan m_z = 7.
Ketika dorongan dibuat dua kali lebih kuat, pengukuran menjadi kurang “lemah” — dan penguatannya menyusut, seperti yang diramalkan teori.
Ternyata bisa dilakukan
Para penulis mencatat bahwa eksperimen semacam ini pernah disebut “tidak layak dilakukan”. Ini adalah penguatan nilai lemah pertama dengan atom, dan perwujudan paling dekat dari usulan asli tahun 1988. Harganya mahal: di dekat δ = 0, begitu sedikit atom yang lolos seleksi sehingga sebagian gambar sama sekali tidak bisa dianalisis.
Mereka melihat kemungkinan penggunaan untuk mengukur gradien medan magnet yang sangat kecil atau momen magnetik yang sangat kecil. Versi berikutnya bisa memakai atom yang interaksinya dapat disetel, agar awan tetap lebih rapat dan sinyalnya lebih bersih.