المجال المغناطيسي للأرض ليس ثابتًا؛ فهو يهتز بسبب الرياح الشمسية، والعواصف الرعدية البعيدة، وحتى عمل المترو. لرصد هذه الاهتزازات، نحتاج إلى جهاز لا يهتز هو نفسه. بنى الفيزيائيون مثل هذا الجهاز باستخدام ذرات الإيتربيوم المبردة إلى ما يقارب الصفر المطلق.
في الغاز العادي، تتحرك الذرات بشكل عشوائي، وتضيع إشارتها خلال أجزاء من الألف من الثانية. هنا، ذرات الإيتربيوم مثبتة في خلايا الشبكة البصرية، مثل البيض في علبة كرتونية. نظيران: الإيتربيوم-171 بلف مغزلي 1/2 والإيتربيوم-173 بلف مغزلي 5/2. اللف المغزلي هو مغناطيس صغير داخل الذرة. معًا، يقيسان المجال المغناطيسي، والفرق في استجابتيهما يسمح بطرح الضوضاء المشتركة. النتيجة هي مقياس مغناطيسية مرجعي: جهازان في جهاز واحد.
الصعوبة الرئيسية هي أن الضوء الذي يحبس الذرات يخل بتلك الألفان المغزلية. مجال الضوء يدير كل لف مغزلي قليلًا، مثل تيار الماء الذي يدير قاربًا خفيفًا. لتجنب ذلك، تم ضبط استقطاب الضوء ليكون خطيًا تمامًا، وبالنسبة للإيتربيوم-173 تم استخدام حالة قط شرودنغر — تراكبًا لاتجاهين متعاكسين لللف المغزلي، حيث تلغي الإزاحات بعضها البعض. ونتيجة لذلك، أمكن استجواب النظيرين في وقت واحد بدقة عالية.
ما الفائدة؟ قمع الضوضاء المغناطيسية بأكثر من 30 ألف مرة. تم قياس نسبة العزوم المغناطيسية النووية بدقة 4 أجزاء في المليون. هذه الحساسية تسمح بالبحث عن تفاعلات فائقة الضعف لا تندرج ضمن النموذج القياسي: على سبيل المثال، مجالات من جسيمات المادة المظلمة الافتراضية.
الآن لدى الفيزيائيين منصة تعيش فيها الحالات الكمومية لدقيقة وليس للحظة. هذه خطوة نحو أجهزة استشعار ستشعر بما كان لا يمكن تمييزه سابقًا على خلفية الضوضاء الحرارية.
سُمي الإيتربيوم على اسم منجم إيتربي في السويد حيث اكتُشف لأول مرة. من كيلوغرام واحد من الخام يمكن استخلاص أقل من مليغرام من هذا المعدن.
في مسلسل «الفضاء» (The Expanse)، تساعد أجهزة الاستشعار المغناطيسية فائقة الحساسية القائمة على الذرات الباردة في اكتشاف سفن بمحركات متوقفة — تقنية مشابهة تعمل بالفعل في المختبرات.