A fotonok kvantumösszefonódása megduplázza a mikroszkóp felbontását
A Caltech kutatói a kvantumfizika egy "furcsa" jelenségével fedezték fel a fénymikroszkópok felbontásának megduplázásának módját.
A Nature Communications folyóiratban megjelent cikkben a Lihong Wang, Bren orvosmérnöki és villamosmérnöki professzor által vezetett csapat előrelépést mutat be a mikroszkópiában az úgynevezett kvantumösszefonódás révén. A kvantumösszefonódás olyan jelenség, amelyben két részecske úgy kapcsolódik egymáshoz, hogy az egyik állapota korrelál a másik állapotával, függetlenül attól, hogy a részecskék közel vannak-e egymáshoz. Albert Einstein a kvantumösszefonódást „kísérteties távoli cselekvésnek” nevezte, mivel nem magyarázható relativitáselméletével.
A kvantumelmélet szerint bármilyen típusú részecske összegabalyítható. Wang új mikroszkópos technikájában, amelyet koincidencia kvantummikroszkópiának (QMC) neveznek, az összegabalyodott részecskék fotonok. Összefoglalva, két összegabalyodott fotont nevezünk kétfotonnak, és ami Wang mikroszkópja szempontjából fontos, bizonyos szempontból egyetlen részecskeként viselkednek, amelynek impulzusa kétszer akkora, mint egyetlen foton.
Mivel a kvantummechanika azt mondja, hogy minden részecske egyben hullám, és egy hullám hullámhossza fordítottan arányos a részecske impulzusával, az impulzusos részecske hullámhossza kisebb. Ezért, mivel egy kétfoton impulzusa kétszer akkora, mint egy foton, fele akkora hullámhosszú, mint egyetlen foton.
Ez kulcsfontosságú a QMC működésében. A mikroszkópok csak olyan tárgyakon képesek leképezni a jellemzőket, amelyek legkisebb mérete a mikroszkóp által használt fény hullámhosszának fele. Ennek a fénynek a hullámhosszának csökkentése azt jelenti, hogy a mikroszkóp kisebb dolgokat is láthat, ami javítja a felbontást.
A kvantumösszefonódás nem az egyetlen módja a mikroszkópokban használt fény hullámhosszának csökkentésére. Például a zöld fény hullámhossza rövidebb, mint a vörös, az ibolya fény pedig rövidebb, mint a zöld. De a kvantumfizika egy másik furcsasága miatt a rövidebb hullámhosszú fény több energiát hordoz. Ha tehát olyan fénynek van kitéve, amelynek hullámhossza elég kicsi ahhoz, hogy apró dolgokat is leképezzünk, a fény annyi energiát hordoz, hogy károsíthatja a leképezendő tárgyat, különösen az élőlényeket, például a sejteket. Ez az oka annak, hogy a nagyon rövid hullámhosszú ultraibolya (UV) sugarak leégést okozhatnak.
Ezt a korlátozást megkerülik két foton használatával, amelyek a hosszabb hullámhosszú foton alacsonyabb energiáját hordozzák, ugyanakkor a nagyobb energiájú foton rövidebb hullámhosszát.
"A sejtek nem szeretik az UV fényt" - mondta Wang. "Azonban ha 400-nanométeres fénnyel tudjuk leképezni a sejteket, és elérjük a 200-nanométeres fény hatását, ami ultraibolya fény, akkor a sejtek boldogok, és ultraibolya felbontást kapunk.
Ennek elérése érdekében Wang csapata egy optikai eszközt épített, amely a lézerfényt egy speciális kristályba világítja meg, amely a rajta áthaladó fotonok egy részét kétfotonná alakítja. Ez a váltás még ennél a kristálynál is rendkívül ritka, nagyságrendileg egy a millióhoz képest. Tükrök, lencsék és prizmák sorozatával minden két-foton - gyakorlatilag két különálló fotonból áll - kettéhasad és két útvonalon injektálódik, így a párosított fotonok egyike áthalad a leképezendő tárgyon, a másik pedig nem. .
Az objektumon áthaladó fotonokat jelfotonoknak, a tárgyon át nem haladó fotonokat pedig üresjárati fotonoknak nevezzük. Ezek a fotonok ezután további optikán keresztül haladnak tovább, amíg el nem érnek egy számítógéphez csatlakoztatott detektort, amely a jelfotonok által hordozott információ alapján képet alkot a sejtről. Meglepő módon az objektum jelenléte és külön útjai ellenére a párosított fotonok két-fotonként kuszanak össze, amelyek a hullámhossz felénél viselkedtek.
A labor nem az első, amely ezt a fajta kétfotonos képalkotást vizsgálja, de ez az első, amely a koncepciót egy működő rendszer létrehozására használja. "Kidolgoztunk egy szigorú elméletet és gyorsabb, pontosabb összefonódásmérést. Mikroszkópos felbontást és sejtes képalkotást értünk el.
Míg elméletileg nincs korlátozva az egymással összegabalyodható fotonok száma, minden további foton tovább növeli a létrejövő multifoton lendületét, miközben tovább csökkenti a hullámhosszát.
A jövőbeli kutatások több fotont is összegabalyíthatnak, bár megjegyzi, hogy minden további foton tovább csökkenti a sikeres összefonódás valószínűségét, amely már most is egy a millióhoz, ahogy fentebb említettük.
