Fotonien kvanttikettuminen kaksinkertaistaa mikroskoopin resoluution
Käyttämällä "outoa" kvanttifysiikan ilmiötä Caltechin tutkijat ovat löytäneet tavan kaksinkertaistaa valomikroskooppien resoluutio.
Nature Communications -lehdessä julkaistussa artikkelissa lääketieteen ja sähkötekniikan Bren-professori Lihong Wangin johtama ryhmä osoittaa mikroskoopin harppauksen eteenpäin niin kutsutun kvanttiketumisen kautta. Kvanttikietoutuminen on ilmiö, jossa kaksi hiukkasta kytkeytyvät toisiinsa siten, että toisen tila korreloi toisen tilan kanssa riippumatta siitä, ovatko hiukkaset lähellä toisiaan. Albert Einstein kutsui kvanttikietoutumista "pelottavaksi toiminnaksi etänä", koska sitä ei voitu selittää hänen suhteellisuusteoriallaan.
Kvanttiteorian mukaan minkä tahansa tyyppiset hiukkaset voivat sotkeutua. Wangin uudessa mikroskopiatekniikassa, jota kutsutaan sattumakvanttimikroskoopiksi (QMC), kietoutuvat hiukkaset ovat fotoneja. Yhdessä kahta kietoutunutta fotonia kutsutaan kahdeksi fotoniksi, ja mikä on tärkeää Wangin mikroskoopille, ne käyttäytyvät jollain tavalla yhtenä hiukkasena, jonka liikemäärä on kaksi kertaa yhtä fotonia suurempi.
Koska kvanttimekaniikka sanoo, että kaikki hiukkaset ovat myös aaltoja ja aallon aallonpituus on kääntäen verrannollinen hiukkasen liikemäärään, on hiukkasella, jolla on liikemäärä, pienempi aallonpituus. Siksi, koska kahden fotonin liikemäärä on kaksi kertaa fotonin liikemäärä, sillä on puolet yhden fotonin aallonpituudesta.
Tämä on avain QMC:n toiminnalle. Mikroskoopit voivat kuvata piirteitä vain kohteissa, joiden pienin koko on puolet mikroskoopin käyttämästä valon aallonpituudesta. Tämän valon aallonpituuden pienentäminen tarkoittaa, että mikroskoopilla näkee pienempiä asioita, mikä parantaa resoluutiota.
Kvanttikietoutuminen ei ole ainoa tapa vähentää mikroskoopeissa käytettävää valon aallonpituutta. Esimerkiksi vihreällä valolla on lyhyempi aallonpituus kuin punaisella ja violetilla valolla on lyhyempi aallonpituus kuin vihreällä valolla. Mutta toisesta kvanttifysiikan omituisuudesta johtuen valo, jolla on lyhyempi aallonpituus, kuljettaa enemmän energiaa. Joten kun altistut valolle, jonka aallonpituus on tarpeeksi pieni pienten asioiden kuvaamiseen, valo kuljettaa niin paljon energiaa, että se voi vahingoittaa kuvattavaa kohdetta, erityisesti eläviä olentoja, kuten soluja. Tästä syystä erittäin lyhyen aallonpituuden ultravioletti (UV) säteet voivat aiheuttaa auringonpolttaman.
Tämä rajoitus kierretään käyttämällä kahta fotonia, jotka kuljettavat pidemmän aallonpituisen fotonin alhaisempaa energiaa, samalla kun niillä on korkeamman energian fotonin lyhyempi aallonpituus.
"Solut eivät pidä UV-valosta", Wang sanoi. "Jos voimme kuitenkin kuvata soluja 400-nanometrivalolla ja saavuttaa 200-nanometrivalon, eli ultraviolettivalon vaikutuksen, solut ovat onnellisia ja saamme ultraviolettiresoluution.
Tämän saavuttamiseksi Wangin tiimi rakensi optisen laitteen, joka loistaa laservaloa erityiseksi kiteeksi, joka muuntaa osan sen läpi kulkevista fotoneista kahdeksi fotoneiksi. Jopa tämän tietyn kiteen kanssa tämä vaihto on erittäin harvinainen, ja sitä esiintyy luokkaa yksi fotonista miljoonasta. Käyttämällä sarjaa peilejä, linssejä ja prismoja, kukin kaksifotoni - joka käytännössä koostuu kahdesta erillisestä fotonista - jaetaan ja kuljetetaan kahta polkua pitkin, joten toinen fotoneista kulkee kuvattavan kohteen läpi ja toinen ei. .
Objektin läpi kulkevia fotoneja kutsutaan signaalifotoneiksi, ja fotoneja, jotka eivät kulje kohteen läpi, kutsutaan tyhjäksi fotoneiksi. Nämä fotonit jatkavat sitten useamman optiikan läpi, kunnes ne saavuttavat tietokoneeseen kytketyn ilmaisimen, joka rakentaa kuvan solusta signaalifotonien kuljettamien tietojen perusteella. Yllättäen kohteen ja sen erillisten polkujen läsnäolosta huolimatta fotoniparit pysyivät sotkeutuneina kahtena fotoneina, jotka käyttäytyivät puolella aallonpituudella.
Laboratorio ei ole ensimmäinen, joka tutkii tällaista kahden fotonin kuvantamista, mutta se on ensimmäinen, joka käyttää konseptia toimivan järjestelmän luomiseen. "Kehitimme tiukan teorian ja nopeammat, tarkemmat sotkeutumismittaukset. Saimme mikroskooppisen resoluution ja solukuvauksen.
Vaikka toistensa kanssa kietoutuvien fotonien lukumäärällä ei ole teoriassa mitään rajaa, jokainen ylimääräinen fotoni lisää edelleen tuloksena olevan multifotonin liikemäärää samalla, kun se pienentää entisestään sen aallonpituutta.
Tulevaisuuden tutkimukset voivat sotkeutua lisää fotoneja, vaikka hän huomauttaa, että jokainen uusi fotoni vähentää entisestään onnistuneen sotkeutumisen todennäköisyyttä, joka on jo niinkin alhainen kuin yksi miljoonasta, kuten edellä mainittiin.
