Footonite kvantpõimumine kahekordistab mikroskoobi eraldusvõimet
Kasutades kvantfüüsika "veidrat" nähtust, on Caltechi teadlased avastanud viisi, kuidas valgusmikroskoopide eraldusvõimet kahekordistada.
Ajakirjas Nature Communications avaldatud artiklis demonstreerib meditsiinitehnika ja elektrotehnika Breni professori Lihong Wangi juhitud meeskond mikroskoopias hüpet edasi nn kvantpõimumise kaudu. Kvantpõimumine on nähtus, kus kaks osakest on omavahel seotud nii, et ühe olek korreleerub teise olekuga, olenemata sellest, kas osakesed on üksteise lähedal. Albert Einstein nimetas kvantpõimumist "õudseks tegevuseks eemalt", kuna seda ei saanud tema relatiivsusteooriaga seletada.
Kvantteooria järgi võib mis tahes tüüpi osakesi takerduda. Wangi uues mikroskoopiatehnikas, mida nimetatakse juhuslikkvantmikroskoopiaks (QMC), on takerdunud osakesed footonid. Kollektiivselt nimetatakse kahte takerdunud footonit kahefootoniteks ja Wangi mikroskoobi jaoks on oluline, et nad käituvad mõnes mõttes ühe osakesena, mille impulss on kaks korda suurem kui üks footon.
Kuna kvantmehaanika ütleb, et kõik osakesed on ka lained ja laine lainepikkus on pöördvõrdeline osakese impulsiga, on impulsiga osakesel väiksem lainepikkus. Seetõttu, kuna kahe footoni impulss on kaks korda suurem kui footonil, on selle lainepikkus poole väiksem kui ühe footoni lainepikkus.
See on QMC toimimise võtmeks. Mikroskoobid suudavad pildistada ainult objekte, mille väikseim suurus on pool mikroskoobis kasutatava valguse lainepikkusest. Selle valguse lainepikkuse vähendamine tähendab, et mikroskoop näeb väiksemaid asju, parandades eraldusvõimet.
Kvantpõimumine ei ole ainus viis mikroskoopides kasutatava valguse lainepikkuse vähendamiseks. Näiteks rohelisel valgusel on lühem lainepikkus kui punasel ja violetsel valgusel on lühem lainepikkus kui rohelisel. Kuid kvantfüüsika teise veidruse tõttu kannab lühema lainepikkusega valgus rohkem energiat. Nii et kui puutute kokku valgusega, mille lainepikkus on piisavalt väike, et pildistada pisikesi asju, kannab valgus nii palju energiat, et võib kahjustada pildistatavat objekti, eriti elusolendeid, nagu rakud. Seetõttu võivad väga lühikese lainepikkusega ultraviolettkiired põhjustada päikesepõletuse.
Sellest piirangust hoitakse mööda kahe footoni kasutamisega, mis kannavad pikema lainepikkusega footoni madalamat energiat, omades samal ajal kõrgema energiaga footoni lühemat lainepikkust.
"Rakkudele ei meeldi UV-valgus," ütles Wang. "Kui aga suudame rakke pildistada 400-nanomeetrivalguse abil ja saavutada 200-nanomeetrivalguse efekti, mis on ultraviolettvalgus, on rakud õnnelikud ja saame ultraviolettkiirguse eraldusvõime.
Selle saavutamiseks ehitas Wangi meeskond optilise seadme, mis kiirgab laservalgust spetsiaalseks kristalliks, mis muudab osa seda läbivatest footonitest kahefootoniteks. Isegi selle konkreetse kristalli puhul on see lülitus äärmiselt haruldane, esinedes suurusjärgus üks footonist miljonist. Peeglite, läätsede ja prismade seeriat kasutades jagatakse iga kaks footoni, mis koosneb tegelikult kahest diskreetsest footonist, kaheks teeks, nii et üks paaris footonitest läbib pildistatavat objekti ja teine mitte. .
Objekti läbivaid footoneid nimetatakse signaalfootoniteks ja footoneid, mis objekti ei läbi, tühikäigu footoniteks. Seejärel jätkavad need footonid läbi rohkema optika, kuni jõuavad arvutiga ühendatud detektorini, mis loob signaali footonite edastatava teabe põhjal rakust kujutise. Üllataval kombel jäid paaritud footonid vaatamata objekti olemasolule ja selle eraldi teedele kahefootoniks, mis käitusid poole lainepikkusega.
Labor ei ole esimene, kes seda tüüpi kahe fotoni pildistamist uurib, kuid see on esimene, kes kasutab seda kontseptsiooni toimiva süsteemi loomiseks. "Arendasime meie arvates range teooria ning kiiremad ja täpsemad takerdumise mõõtmised. Saavutasime mikroskoopilise eraldusvõime ja raku pildistamise.
Kuigi teoreetiliselt ei ole üksteisega põimuvate footonite arvul piiranguid, suurendab iga täiendav footon tekkiva multifotoni impulssi veelgi, vähendades samal ajal veelgi selle lainepikkust.
Tulevased uuringud võivad segada rohkem footoneid, kuigi ta märgib, et iga täiendav footon vähendab veelgi eduka takerdumise tõenäosust, mis on juba nii madal kui üks miljonist, nagu eespool mainitud.
