MỘT SPIN CHỈ CÓ THỂ LÀ ±½ LẠI CHO RA 7

Đo spin của một hạt “spin-½” theo một hướng, cơ học lượng tử cho phép đúng hai kết quả: +½ hoặc −½. Không có giá trị ở giữa, không có gì vượt ra ngoài. Thế nhưng một nhóm tại Đại học Toronto đã đo spin của một hệ như vậy và thu được 7.

Không định luật nào bị vi phạm. Kết quả này là cái mà các nhà vật lý gọi là một giá trị yếu (weak value) dị thường, và nó đã được dự đoán từ gần bốn mươi năm trước.

Một phép đo nhẹ nhàng, rồi một bước sàng lọc

Trong một phép đo lượng tử, chính dụng cụ đo — “kim chỉ” — cũng là một đối tượng lượng tử. Bình thường, kim chỉ sắc nét: nó dịch chuyển một lượng do kết quả quyết định, +½ hoặc −½, và ta đọc nó.

Năm 1988, các nhà vật lý Albert, Aharonov và Vaidman xem xét trường hợp ngược lại. Làm cho kim chỉ thật mờ, để một phép đo đơn lẻ gần như không cho biết gì: đó là phép đo yếu. Rồi chỉ giữ lại những hệ kết thúc ở một trạng thái cuối được chọn — một bước gọi là hậu chọn lọc (post-selection). Khi đó, trung bình kim chỉ sẽ dịch chuyển bằng “giá trị yếu”:

⟨A⟩_w = ⟨f| Â |i⟩ / ⟨f|i⟩

Khi trạng thái ban đầu |i⟩ và trạng thái cuối được chọn |f⟩ hầu như không chồng lấn, mẫu số trở nên rất nhỏ và giá trị yếu có thể nằm xa ngoài khoảng bình thường. Họ đề xuất chứng minh điều này trên spin của một hạt, với một phiên bản nhẹ nhàng của thí nghiệm Stern-Gerlach kinh điển, trong đó một gradient từ trường đẩy hạt về phía này hay phía kia tùy theo spin của chúng.

Kể từ đó, hiệu ứng này đã được quan sát nhiều lần với ánh sáng, với qubit siêu dẫn và với neutron. Nhưng chính thí nghiệm spin thì chưa bao giờ được thực hiện. Lý do: hiệu ứng là một sự giao thoa, mà sóng vật chất chỉ giữ được tính kết hợp trên những khoảng cách cực nhỏ — chưa tới một micromét đối với một đám mây nguyên tử điển hình gần ngưỡng ngưng tụ.

Một đám mây nguyên tử như một sóng duy nhất

Joseph McGowan IV, Nicholas Mantella, Noah Baker và Aephraim Steinberg đã dùng một ngưng tụ Bose-Einstein: 5.000 đến 10.000 nguyên tử rubidi-87 được làm lạnh đến khi chúng hành xử như một sóng kết hợp duy nhất.

“Spin ½” của họ là một cặp trạng thái nội tại của nguyên tử. Trong một gradient từ trường, hai trạng thái này chịu những lực bằng nhau và ngược chiều — giống hệt hai hướng spin trong một nam châm Stern-Gerlach, nhưng đủ yếu để hai nửa đám mây vẫn chồng lên nhau và giao thoa. Kim chỉ là vận tốc của các nguyên tử. Sau đó nhóm thả đám mây vào một ống dẫn quang học nhẹ nhàng; sau một phần tư chu kỳ dao động, chênh lệch vận tốc đã biến thành chênh lệch vị trí mà camera có thể nhìn thấy.

Một xung vi ba có độ dài điều chỉnh được chọn trạng thái cuối. Góc của nó, δ, quyết định mức độ khó xảy ra của việc chọn lọc: gần δ = 0, chỉ rất ít nguyên tử được giữ lại.

Độ dịch chuyển đo được giữa hai nửa đám mây theo góc chọn lọc δ. Hai đường đứt nét đánh dấu độ dịch chuyển khi không khuếch đại và điểm được khuếch đại nhiều nhất, cao hơn khoảng bảy lần. Đen: dự đoán theo giá trị yếu; xanh lục: mô hình cho một đám mây có cùng kích thước. — Hình 2, McGowan et al. (2026), arXiv:2609.37822.

Gấp mười bốn lần cú đẩy

Ở xa δ = 0, hai nửa đám mây tách nhau đúng gấp đôi cú đẩy được áp dụng, như dự kiến. Ở gần đó, độ tách vọt lên ở cả hai phía, rồi rơi về không tại δ = 0, nơi phép xấp xỉ “yếu” không còn đúng.

Cú đẩy từ tính rất nhỏ: 4,4 micromét mỗi giây. Tại điểm được khuếch đại nhiều nhất, các nguyên tử được chọn chuyển động như thể bị đẩy mạnh hơn 14 lần (với độ bất định ±6). Chuyển sang spin, đó là một giá trị yếu 7 ± 3: như thể spin của hệ hai trạng thái này đã đọc ra m_z = 7.

Khi cú đẩy được tăng mạnh gấp đôi, phép đo trở nên kém “yếu” hơn — và độ khuếch đại co lại, đúng như lý thuyết dự đoán.

Rốt cuộc vẫn khả thi

Các tác giả lưu ý rằng loại thí nghiệm này từng bị coi là “bất khả thi”. Đây là sự khuếch đại giá trị yếu đầu tiên với nguyên tử, và là cách hiện thực hóa gần nhất với đề xuất gốc năm 1988. Cái giá phải trả rất cao: gần δ = 0, quá ít nguyên tử sống sót qua bước chọn lọc đến nỗi một số ảnh hoàn toàn không thể phân tích được.

Họ thấy những ứng dụng khả dĩ trong việc đo các gradient từ trường cực nhỏ hoặc những mô men từ rất bé. Một phiên bản tiếp theo có thể dùng các nguyên tử có tương tác điều chỉnh được, để giữ đám mây đặc hơn và tín hiệu sạch hơn.