Kvantinis fotonų įsipainiojimas padvigubina mikroskopo skiriamąją gebą
Naudodami „keistą“ kvantinės fizikos reiškinį, Caltech mokslininkai atrado būdą, kaip dvigubai padidinti šviesos mikroskopų skiriamąją gebą.
Straipsnyje, paskelbtame žurnale Nature Communications, medicinos inžinerijos ir elektros inžinerijos profesoriaus Breno vadovaujama Lihong Wang komanda demonstruoja mikroskopijos šuolį į priekį per vadinamąjį kvantinį susipynimą. Kvantinis susipynimas yra reiškinys, kai dvi dalelės yra susietos taip, kad vienos būsena koreliuoja su kitos būsena, nepaisant to, ar dalelės yra arti viena kitos. Albertas Einšteinas kvantinį įsipainiojimą pavadino „baisu veiksmu per atstumą“, nes to negalėjo paaiškinti jo reliatyvumo teorija.
Remiantis kvantine teorija, bet kokio tipo dalelės gali būti supainiotos. Taikant naują Wang mikroskopijos metodą, vadinamą atsitiktinumo kvantine mikroskopija (QMC), įsipainiojusios dalelės yra fotonai. Kartu du įsipainioję fotonai vadinami dviem fotonais, o Wango mikroskopui svarbu tai, kad jie tam tikrais būdais elgiasi kaip viena dalelė, kurios impulsas yra dvigubai didesnis nei vieno fotono.
Kadangi kvantinė mechanika sako, kad visos dalelės taip pat yra bangos, o bangos bangos ilgis yra atvirkščiai proporcingas dalelės impulsui, dalelė su impulsu turi mažesnį bangos ilgį. Todėl, kadangi dviejų fotonų impulsas yra dvigubai didesnis nei fotono, jis turi pusę vieno fotono bangos ilgio.
Tai yra QMC veikimo raktas. Mikroskopai gali vaizduoti tik objektų, kurių mažiausias dydis yra pusė mikroskopo naudojamos šviesos bangos ilgio, ypatybes. Šios šviesos bangos ilgio sumažinimas reiškia, kad mikroskopas gali matyti mažesnius dalykus, o tai pagerina skiriamąją gebą.
Kvantinis įsipainiojimas nėra vienintelis būdas sumažinti mikroskopuose naudojamos šviesos bangos ilgį. Pavyzdžiui, žalios šviesos bangos ilgis yra trumpesnis nei raudonos šviesos, o violetinės šviesos bangos ilgis yra trumpesnis nei žalios šviesos. Tačiau dėl kitos kvantinės fizikos keistenybės trumpesnio bangos ilgio šviesa neša daugiau energijos. Taigi, kai jus veikia šviesa, kurios bangos ilgis yra pakankamai mažas, kad būtų galima atvaizduoti mažus dalykus, šviesa perneša tiek energijos, kad gali pakenkti vaizduojamam objektui, ypač gyviems daiktams, pavyzdžiui, ląstelėms. Štai kodėl labai trumpo bangos ilgio ultravioletiniai (UV) spinduliai gali sukelti saulės nudegimą.
Šis apribojimas apeinamas naudojant du fotonus, kurie neša mažesnę ilgesnio bangos ilgio fotono energiją, o kartu turi trumpesnį didesnės energijos fotono bangos ilgį.
„Ląstelės nemėgsta UV šviesos“, - sakė Wang. „Tačiau jei galime vaizduoti ląsteles naudodami 400-nanometrinę šviesą ir pasiekti 200-nanometrinės šviesos, kuri yra ultravioletinė šviesa, efektą, ląstelės džiaugiasi ir gauname ultravioletinę skiriamąją gebą.
Kad tai pasiektų, Wang komanda sukūrė optinį įrenginį, kuris šviečia lazerio šviesą į specialų kristalą, kuris kai kuriuos pro jį praeinančius fotonus paverčia dviem fotonais. Net su šiuo konkrečiu kristalu šis jungimas yra labai retas, įvyksta maždaug vienas iš milijono fotonų. Naudojant veidrodžių, lęšių ir prizmių seriją, kiekvienas du fotonas, iš esmės susidedantis iš dviejų atskirų fotonų, yra padalintas ir perkeliamas dviem keliais, todėl vienas iš suporuotų fotonų praeina per vaizduojamą objektą, o kitas – ne. .
Fotonai, kurie praeina per objektą, vadinami signaliniais fotonais, o fotonai, kurie nepraeina pro objektą, vadinami tuščiosios eigos fotonais. Tada tie fotonai tęsiasi per daugiau optikos, kol pasiekia detektorių, prijungtą prie kompiuterio, kuris sukuria ląstelės vaizdą pagal signalo fotonų nešamą informaciją. Keista, kad nepaisant objekto buvimo ir atskirų jo kelių, suporuoti fotonai liko susipainioję kaip du fotonai, kurie elgėsi esant pusei bangos ilgio.
Laboratorija nėra pirmoji, kuri tiria tokio tipo dviejų fotonų vaizdavimą, tačiau ji pirmoji panaudojo šią koncepciją veikiančiai sistemai sukurti. „Sukūrėme tai, kas, mūsų manymu, buvo griežta teorija ir greitesni bei tikslesni įsipainiojimo matavimai. Pasiekėme mikroskopinę skiriamąją gebą ir ląstelių vaizdavimą.
Nors teoriškai nėra jokių apribojimų, kiek fotonų gali susipainioti vienas su kitu, kiekvienas papildomas fotonas dar labiau padidina susidariusio daugiafotono impulsą ir dar labiau sumažina jo bangos ilgį.
Būsimi tyrimai galėtų supainioti daugiau fotonų, nors jis pažymi, kad kiekvienas papildomas fotonas dar labiau sumažina sėkmingo įsipainiojimo tikimybę, kuri, kaip minėta pirmiau, jau yra viena iš milijono.
