Fotonu kvantu sapīšanās dubulto mikroskopa izšķirtspēju
Izmantojot "dīvainu" kvantu fizikas fenomenu, Caltech pētnieki ir atklājuši veidu, kā dubultot gaismas mikroskopu izšķirtspēju.
Rakstā, kas publicēts žurnālā Nature Communications, komanda, kuru vadīja Lihong Wang, Brens medicīnas inženierijas un elektrotehnikas profesors, demonstrē lēcienu uz priekšu mikroskopijā, izmantojot tā saukto kvantu sapīšanās. Kvantu sapīšanās ir parādība, kurā divas daļiņas ir savienotas tā, ka vienas daļiņas stāvoklis korelē ar otras stāvokli neatkarīgi no tā, vai daļiņas atrodas tuvu viena otrai. Alberts Einšteins kvantu samezglošanos nosauca par "baidīgu darbību no attāluma", jo to nevarēja izskaidrot ar viņa relativitātes teoriju.
Saskaņā ar kvantu teoriju jebkura veida daļiņas var būt sapinušās. Vanga jaunajā mikroskopijas tehnikā, ko sauc par nejaušības kvantu mikroskopiju (QMC), sapinušās daļiņas ir fotoni. Kopā divus sapinušos fotonus sauc par diviem fotoniem, un, kas ir svarīgi Vanga mikroskopam, tie dažos veidos darbojas kā viena daļiņa ar divreiz lielāku impulsu nekā viena fotona.
Tā kā kvantu mehānika saka, ka visas daļiņas ir arī viļņi, un viļņa garums ir apgriezti proporcionāls daļiņas impulsam, tad daļiņai ar impulsu ir mazāks viļņa garums. Tāpēc, tā kā divu fotonu impulss ir divreiz lielāks nekā fotonam, tam ir puse no viena fotona viļņa garuma.
Tas ir QMC darbības atslēga. Mikroskopi var attēlot tikai objektus, kuru mazākais izmērs ir puse no gaismas viļņa garuma, ko izmanto mikroskops. Šīs gaismas viļņa garuma samazināšana nozīmē, ka mikroskops var redzēt mazākas lietas, uzlabojot izšķirtspēju.
Kvantu sapīšanās nav vienīgais veids, kā samazināt mikroskopos izmantotās gaismas viļņa garumu. Piemēram, zaļajai gaismai ir īsāks viļņa garums nekā sarkanajai gaismai, un violetajai gaismai ir īsāks viļņa garums nekā zaļajai gaismai. Bet citas kvantu fizikas dīvainības dēļ gaisma ar īsākiem viļņu garumiem nes vairāk enerģijas. Tātad, tiklīdz esat pakļauts gaismai ar pietiekami mazu viļņa garumu, lai attēlotu sīkas lietas, gaisma nes tik daudz enerģijas, ka tā var sabojāt attēlojamo objektu, īpaši dzīvās būtnes, piemēram, šūnas. Tāpēc ļoti īsa viļņa garuma ultravioletie (UV) stari var radīt saules apdegumus.
Šis ierobežojums tiek apiets, izmantojot divus fotonus, kuriem ir zemāka garāka viļņa garuma fotona enerģija, vienlaikus nodrošinot īsāku augstākas enerģijas fotona viļņa garumu.
"Šūnām nepatīk UV gaisma," sacīja Vans. "Tomēr, ja mēs varam attēlot šūnas, izmantojot 400-nanometru gaismu, un panākt 200-nanometra gaismas efektu, kas ir ultravioletā gaisma, šūnas ir laimīgas un mēs iegūstam ultravioleto izšķirtspēju.
Lai to panāktu, Vanga komanda izveidoja optisku ierīci, kas lāzera gaismu izstaro īpašā kristālā, kas pārvērš dažus fotonus, kas iet caur to, divos fotonos. Pat ar šo konkrēto kristālu šis slēdzis ir ārkārtīgi reti sastopams, un tas notiek aptuveni vienā no miljona fotonu. Izmantojot virkni spoguļu, lēcu un prizmu, katrs divi fotoni, kas faktiski sastāv no diviem diskrētiem fotoniem, tiek sadalīti un pārvietoti pa diviem ceļiem, tāpēc viens no pārī savienotajiem fotoniem iziet cauri attēlam objektam, bet otrs ne. .
Fotonus, kas iet caur objektu, sauc par signāla fotoniem, bet fotonus, kas neiet cauri objektam, sauc par dīkstāves fotoniem. Šie fotoni pēc tam turpina izmantot vairāk optikas, līdz tie sasniedz detektoru, kas savienots ar datoru, kas veido šūnas attēlu, pamatojoties uz signāla fotonu pārnesto informāciju. Pārsteidzoši, neskatoties uz objekta klātbūtni un tā atsevišķiem ceļiem, pārī savienotie fotoni palika sapinušies kā divi fotoni, kas darbojās uz pusi no viļņa garuma.
Laboratorija nav pirmā, kas izmeklē šāda veida divu fotonu attēlveidošanu, taču tā ir pirmā, kas izmanto šo koncepciju, lai izveidotu funkcionējošu sistēmu. "Mēs izstrādājām, mūsuprāt, stingru teoriju un ātrākus, precīzākus sapīšanās mērījumus. Mēs panācām mikroskopisku izšķirtspēju un šūnu attēlveidošanu.
Lai gan teorētiski nav ierobežojumu fotonu skaitam, ko var sapīties viens ar otru, katrs papildu fotons vēl vairāk palielina iegūtā daudzfotona impulsu, vienlaikus samazinot tā viļņa garumu.
Turpmākie pētījumi varētu sapīt vairāk fotonu, lai gan viņš atzīmē, ka katrs papildu fotons vēl vairāk samazina veiksmīgas sapīšanās iespējamību, kas jau ir viena no miljona, kā minēts iepriekš.
