La Binabago ng teknolohiyang quantum ang paraan ng pagtingin natin sa mikroskopikong mundoAng tila science fiction ilang dekada na ang nakalilipas — ang pagtingin sa mga buhay na selula nang detalyado nang hindi nasisira, pagsunod sa galaw ng liwanag na nakulong sa isang kristal, o pagkuha ng litrato ng mga atomo nang paisa-isa — ay nagsisimula nang maging kalakaran sa mga nangungunang laboratoryo sa buong mundo.
Salamat sa mga bago mga mikroskopyong quantum na may kakayahang malampasan ang mga klasikong limitasyon ng resolusyonBinabasag ng mga siyentipiko ang mga hadlang na nagtakda ng mga limitasyon ng kung ano ang posible sa loob ng mahigit isang siglo. Mula sa optical microscopy ng mga buhay na selula batay sa magkakaugnay na mga photon hanggang sa mga quantum simulator ng mga ultracold na gas at 4D electron microscope, malinaw ang karaniwang layunin: ang kumuha ng mas maraming impormasyon na may mas kaunting liwanag o mas mababang dosis ng radiation, at makita ang mga istrukturang dating literal na hindi nakikita.
Ang klasikong limitasyon ng resolusyon at kung bakit hindi sapat ang normal na liwanag
Sa isang kumbensyonal na mikroskopyong optikal, ang Ang kakayahang makilala ang maliliit na detalye ay limitado ng wavelength ng liwanag na ginagamit. Bilang pangkalahatang tuntunin, tanging ang mga istrukturang ang laki ay hindi bababa sa humigit-kumulang kalahati ng wavelength na iyon ang maaaring maresolba.
Ipinahihiwatig nito na, gamit ang karaniwang nakikitang liwanag, mayroong isang punto kung saan Hindi mo maaaring patuloy na mapabuti ang resolution sa pamamagitan lamang ng pagdaragdag ng higit pang magnification.Maaari tayong maging mas malapit, oo, ngunit ang mga detalye ay nagsisimulang lumabo dahil ang mala-alon na katangian ng liwanag ay gumaganap bilang isang pisikal na kisame.
Isang malinaw na paraan upang higit pang lumayo ay ang paggamit ng liwanag na may mas maikling wavelengthtulad ng violet o kahit ultraviolet (UV). Kung mas maikli ang wavelength, mas maliit ang mga detalyeng kayang matukoy ng mikroskopyo. Gayunpaman, mayroon itong mahalagang disbentaha: ang mga radiation na ito ay nagdadala ng mas maraming enerhiya at maaaring makapinsala o makapatay ng mga buhay na selula at mga maselang molekula, isang bagay na hindi katanggap-tanggap sa biyolohiya ng selula, medisina, o sa maraming eksperimentong may mataas na katumpakan.
Matagal nang pinag-aaralan ng mga mananaliksik ang balanseng ito: Kung ang tindi ng liwanag ay babawasan upang maiwasan ang pagkaprito ng sample, ang imahe ay magiging maingay.Nawawalan ito ng contrast at mahahalagang detalye. Kung ang intensidad ay labis na nadagdagan o ang napaka-energetic na radiation ay ginamit, ang sample ay magdurusa sa hindi na mababawi na pinsala. Dito pumapasok ang mga ideya ng quantum physics.
Nabibigo ang mga tradisyunal na optika kapag sinusubukang pagsamahin ang mahinang liwanag, mataas na sensitibidad, at matinding resolusyon. Sa ganitong sitwasyon, ang paggamit ng maingat na inihandang quantum light, tulad ng mga pares ng magkakaugnay na photonPinapayagan tayo nito na malampasan ang ilan sa mga limitasyong ito at magbukas ng isang ganap na bagong bintana sa mundo ng micro at nano.
Sa pagitan ng "nakakakilabot" na aksyon at ng perpektong imahe: quantum entanglement
Isa sa mga pinakakapansin-pansing penomena sa modernong pisika ay ang quantum entanglementAyon sa quantum mechanics, ang dalawang partikulo ay maaaring maging napakalapit na magkaugnay kaya't ang estado ng isa ay nakaugnay sa estado ng isa pa, anuman ang distansya sa pagitan nila. Inilarawan ito ni Albert Einstein bilang "nakakatakot na aksyon sa malayo" dahil sumasalungat ito sa klasikal na intuwisyon at sa iminumungkahi ng sarili niyang teorya ng relatibidad.
Sa konteksto ng mikroskopyo, ang pagkakaugnay na ito ay isinasalin sa mga pares ng magkakaugnay na photon, na kilala bilang mga biphotonMula sa pananaw ng quantum, ang isang biphoton ay kumikilos halos tulad ng isang composite particle na ang momentum ay humigit-kumulang doble kaysa sa isang indibidwal na photon.
Ipinapaalala sa atin ng quantum mechanics na Ang bawat partikulo ay mayroon ding katangiang parang alonSa kontekstong ito, ang wavelength ay may kabaligtarang kaugnayan sa momentum: mas malaki ang momentum, mas maikli ang wavelength. Nangangahulugan ito na, dahil ang biphoton ay may mas malaking epektibong momentum, ang epektibong wavelength nito ay humigit-kumulang kalahati ng mga maluwag na photon na siyang dahilan ng paglikha nito.
Ang buong interaksyon ng mga alon at partikulo ay interesante dahil, kung mapapagana natin ang mikroskopyo na parang gumagamit ito ng liwanag na may wavelength na katumbas ng kalahatiDoble ang liit ng mga detalyeng nakikita natin nang hindi gumagamit ng mas masigla o mas agresibong radyasyon para sa mga selula.
Ang matalinong paggamit ng quantum entanglement na ito ay nagbubukas ng pinto sa mga pamamaraan na, sa pamamagitan ng paghawak ng mga photon na may malalambot na enerhiya (halimbawa, humigit-kumulang 400 nanometer na wavelength sa hanay ng violet), Nakakamit nila ang isang resolusyon na maihahambing sa ultraviolet light, ngunit may mas maikling tagal., sa sukat na 200 nanometer, ngunit nang hindi sinisira ang sample.
Quantum coincidence microscopy (QMC): pagdodoble ng resolusyon nang hindi napiprito ang mga selula
Isang grupo ng mga mananaliksik mula sa California Institute of Technology (Caltech) ay nakabuo ng isang pamamaraan na tinatawag na Mikroskopyang Quantum Coincidence (QMC)Ang pamamaraang ito, na inilarawan sa journal na Nature Communications bilang "quantum cell microscopy at the Heisenberg limit," ay nangangakong dodoblehin ang resolusyon na makukuha gamit ang isang maginoo na optical microscope.
Ang pangunahing ideya ng QMC ay ang paggamit mga pares ng photon na magkakaugnay upang bumuo ng mga biphotonAng mga biphoton na ito ay kumikilos bilang isang entidad na may dobleng momentum at, samakatuwid, isang mas maikling epektibong wavelength. Kaya, ang isang sistemang gumagamit ng 400 nm na liwanag (sa gilid ng violet) ay maaaring makamit ang isang resolusyon na katulad ng sa 200 nm na liwanag (sa buong ultraviolet), habang pinapanatili ang enerhiyang idineposito sa sample sa isang mas madaling pamahalaang antas.
Ang guro Lihong Wang, propesor ng Medical Engineering at Electrical Engineering sa Caltech at pangunahing may-akda ng akdang ito, ay nagbubuod nito nang napaka-graphical: ang mga selula ay "hindi nakakasabay" sa ultraviolet light, ngunit kung mag-iilaw tayo gamit ang 400 nm at makakamit ang parehong resolution effect gaya ng sa 200 nm, Ang mga selula ay "masaya" at ang mikroskopyo ay patuloy na nakakakuha ng mga detalye..
Nilulutas ng pamamaraang ito ang klasikong problema sa isang iglap: Hindi kinakailangang gumamit ng napakalakas na liwanag upang makita ang napakaliit na mga istruktura.Sa pamamagitan ng pagmamanipula sa quantum entanglement at sa paraan ng pagsukat ng mga tugma sa pagitan ng mga ipinares na photon, ang QMC system ay nagbibigay-daan sa mikroskopyo na makakuha ng higit pa mula sa bawat photon nang hindi pinapataas ang potensyal na pinsala sa mga buhay na sample.
Hindi tulad ng mga tradisyunal na mikroskopyo, na kumukuha lamang ng mga detalye ng isang bagay na maihahambing ang laki sa kalahati ng wavelength ng liwanag na ginamit, ang QMC Nagbibigay-daan ito sa iyo na makita ang mas maliliit na istruktura gamit ang mga ilaw na hindi gaanong mapanganib.At, bukod dito, ginagawa nito ito gamit ang isang eksperimental na konpigurasyon na, ayon sa mga tagalikha nito, ay isa nang mabubuhay na sistema at hindi lamang isang minsanang demonstrasyon sa laboratoryo.
Paano gumagana ang QMC nang paunti-unti
Upang maisakatuparan ang ideyang ito, bumuo ang pangkat ng Caltech ng isang aparatong optikal kung saan ang isang laser ay sumisikat sa isang espesyal na kristalAng kristal na ito ay dinisenyo upang baguhin ang isang maliit na bahagi ng mga incident photon tungo sa magkakaugnay na pares, mga biphoton. Sa ngayon, ang kahusayan ay napakababa (sa order ng isa sa bawat milyong photon), ngunit ang mga mananaliksik ay nagsusumikap na mapabuti ang rate na iyon.
Kapag nabuo na, ang mga biphoton na ito Naghihiwalay ang mga ito gamit ang mga salamin, lente, at prismakaya ang dalawang photon na bumubuo sa mga ito ay sumusunod sa magkaibang landas. Ang isa sa mga ito ay dumadaan sa sample na gusto nating obserbahan (ito ay tinatawag na signal photon) at ang isa naman ay hindi dumadaan sa sample (ito ay ang idle o inactive photon).
Ang parehong photon ay magpapatuloy sa kanilang landas sa optika ng sistema hanggang sa makarating sila sa isang detektor na konektado sa isang computer. Ang sekreto ay ang computer Hindi lamang nito binibilang ang mga indibidwal na photon, kundi ang mga pagkakataon sa pagitan ng dalawang magkasabit na photon.Batay sa impormasyong ito, ang imahe ng sample ay muling binubuo, sinasamantala ang magkakaugnay na katangian ng pares.
Ang nakakagulat ay, sa kabila ng pagtahak sa magkakahiwalay na ruta kapag ang isa ay nakadaan na sa selula o ibang uri ng bagay, Pinapanatili ng mga photon ang kanilang pagkakabuhol-buhol at kumikilos na parang isang biphoton. habang nade-detect ang mga ito. Sinasamantala ng sistema ang quantum coherence na ito upang ang kabuuan ay kumilos na parang kalahati ng wavelength.
Bagama't nagtagumpay na ang ibang mga grupo sa pagkuha ng mga imahe gamit ang mga biphoton, pinaninindigan ng pangkat ni Wang na ito ang una detalyadong pag-setup na nagpapakita ng praktikal at maaaring kopyahing sistemaNakabuo sila ng isang mahigpit na teorya upang ilarawan ang proseso, isang mabilis at tumpak na pamamaraan para sa pagsukat ng pagkakabuhol-buhol, at ipinakita ang kapakinabangan nito sa mga totoong biyolohikal na sample.
Tingnan ang mga buhay na selula nang mas detalyado at may mas kaunting pinsala
Ginamit ng pangkat ng Caltech ang kanilang quantum microscope upang kumuha ng mga larawan ng mga selula ng kanserDahil sa pinahusay na resolusyon, malinaw nilang natukoy ang iba't ibang panloob na istruktura na hindi kayang lutasin ng isang klasikong optical microscope, na may maihahambing na liwanag at dosis.
Ang pinaka-kapansin-pansin na bagay ay iyon Ang mga selula ay hindi nasira o nawasak sa panahon ng prosesodahil ang radyasyong ginamit ay hindi gaanong masigla. Ang mahika ay nasa kung paano ginagamit ang impormasyong quantum na dala ng mga biphoton, hindi sa "pagbomba" sa selula ng lalong agresibong mga photon.
Ang pamamaraang ito ay itinuturing na isang napaka-promising na pagsulong sa Medikal na imaging at pananaliksik sa biomedikalAng kakayahang pag-aralan ang mga buhay na selula, tisyu, o maging ang mga maselang mikroorganismo na may antas ng resolusyon na malapit sa limitasyong ipinataw ng quantum physics (ang tinatawag na Heisenberg limit) nang hindi sinisira ang mga ito ay nagbubukas ng pinto sa maagang mga diagnosis, mas mahusay na pagsubaybay sa mga paggamot, at mas mahusay na pag-unawa sa mga kritikal na prosesong biyolohikal.
Sa hinaharap, pinag-iisipan ng mga mananaliksik ang posibilidad ng gumamit ng higit sa dalawang magkakaugnay na photon upang higit pang pinuhin ang resolusyon at i-optimize ang teknolohiya upang mabawasan ang ingay sa background na nauugnay sa interaksyon ng mga photon sa kapaligiran. Ang bawat pagpapabuti ay lalong magpapataas ng kalidad at katumpakan ng mga imaheng nakuha.
Kasabay nito, ang pag-unlad na ito ay naglalatag ng pundasyon para sa mga aplikasyon sa mga larangan tulad ng quantum computing, cryptography, o ang disenyo ng mga bagong materyaleskung saan ang kakayahang makilala ang mga istruktura sa nanoscale nang hindi nasisira ang mga ito ay purong ginto.
Mga mikroskopyo ng quantum gas: nagyeyelong mga atomo at tinitingnan ang mga ito nang paisa-isa
Samantala, sa Europa ay nagkaroon ng pag-unlad sa isa pang komplementaryong larangan: ang mga mikroskopyong quantum ng mga ultracold na gas. Isang emblematic na halimbawa ang QUIONE, na binuo ng Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) sa Castelldefels, na ipinakita sa PRX Quantum magazine.
Ang QUIONE ay gumaganap bilang isang "quantum simulator" na nagpapalamig sa mga atomo ng strontium sa mga temperaturang malapit sa absolute zeroInoorganisa nito ang mga ito sa isang optical network at pinapayagan silang maobserbahan nang paisa-isa, na parang mga itlog na inilagay sa mga butas ng isang karton, ngunit sa isang atomic scale.
Ayon sa kaugalian, ang mga mikroskopyo ng quantum gas ay batay sa mga atomo ng alkali tulad ng lithium o potassiumna mas madaling hawakan sa optika. Ang pagdadala ng strontium—isang atomo ng alkaline earth na may mas kumplikadong spectrum—sa quantum regime ay nagbubukas ng pinto sa paggaya ng mas kakaibang mga materyales at mga yugto ng materya.
Ang pamamaraan ay ang mga sumusunod: ang temperatura ng strontium gas ay nabawasan sa napakababang halaga sa loob ng ilang millisecond, na nagiging sanhi ng mga atomo na halos bumagal nang tuluyan at mahuli sa isang lambat na optikalisang uri ng "grid" ng liwanag na nalilikha ng mga laser. Ang bawat lugar sa grid ay kumikilos na parang isang maliit na balon ng enerhiya kung saan, na may mataas na posibilidad, ay mamamalagi ang isang atomo.
Dahil sa ganitong konpigurasyon, nagawa ng pangkat na kumuha ng mga imaheng atom-by-atom at upang pag-aralan ang mga penomenong tulad ng superfluidity, kung saan ang strontium gas ay dumadaloy nang walang lagkit. Bukod pa rito, ang dinamika ng mga atomo, na "lumulukso" mula sa isang lugar patungo sa isa pa sa lattice nang hindi kinakailangang malampasan ang mga klasikong hadlang, ay direktang naglalarawan ng sikat na epekto ng quantum tunneling.
QUIONE bilang isang analog quantum processor at laboratoryo ng mga bagong materyales
Ang QUIONE ay hindi lamang isang mikroskopyo: ito ay, sa esensya, isang analog na processor ng kwantumSa pamamagitan ng pagsasaayos ng hugis ng optical lattice, ang intensity ng mga laser, ang mga interaksyon sa pagitan ng mga atomo, at iba pang mga parameter, maaaring "iprograma" ng mga mananaliksik ang sistema upang gayahin ang pag-uugali ng mga kumplikadong totoong materyalesngunit sa isang kapaligirang lubos na kontrolado.
Nagbibigay-daan ito sa atin na matugunan ang mga mahihirap na tanong, halimbawa, Bakit may ilang materyales na nagsasagawa ng kuryente nang walang pagkawala? (superconductivity) sa medyo mataas na temperatura, o kung paano inayos ang mga electron sa mga topological phase na hindi pa rin gaanong nauunawaan.
Ang posibilidad ng pag-aaral ng mga gas na strontium nang may ganitong katumpakan, gamit ang isang quantum microscope ng ganitong uri, ay gumagawa sa QUIONE isang estratehikong kasangkapan para sa pagpapaunlad ng mga quantum computer sa hinaharap at mga kaugnay na teknolohiya. Ang Strontium ay lalong kaakit-akit para sa paggawa ng mga ultra-precise na atomic clock at matibay na quantum processor, kaya ang pagkakaroon ng isang aparato na nagbibigay-daan dito na manipulahin at mailarawan sa laki ng isang atom ay isang tunay na luho sa agham.
Itinuturo ng mga mananaliksik tulad ni Leticia Tarruell at ng kanyang pangkat na Ang ganitong uri ng quantum simulation ay makakatulong sa paglutas ng mga lubhang kumplikadong mikroskopikong sistema., na nag-aalok ng mga pahiwatig kung paano magdisenyo ng mga bagong materyales na may mga pinasadyang katangian, mula sa pinahusay na mga superconductor hanggang sa mga topological insulator.
Kaya, natatagpuan natin ang ating mga sarili sa isang pamilya ng mga quantum microscope na hindi lamang nagpapakita ng mundo, kundi muling nililikha ito sa maliit na anyo upang mas maunawaan ito, isang bagay na tila nakalaan para sa mga teoretikal na modelo hanggang kamakailan lamang.
Napakababang intensidad ng quantum light: ang proyektong Europeo na Q-MIC
Isa pang malakas na taya sa Ang quantum microscopy ay nagmula sa proyektong European na Q-MICAng proyektong ito, na higit na pinamumunuan ng ICFO at mga kolaborator mula sa Italya at Alemanya, ay isinasagawa simula pa noong 2018 upang bumuo ng isang mikroskopyo na may kakayahang gumamit ng napakababang intensidad ng quantum light upang makakuha ng mga imahe na may malawak na larangan ng pananaw, mataas na sensitivity, at mas mahusay na resolution kaysa sa mga klasikong mikroskopyo.
Natatangi ang aparatong Q-MIC dahil partikular itong idinisenyo para sa liwanagan ang sample gamit ang mga pares ng magkakaugnay na photonSa halip na kumbensyonal na liwanag na binubuo ng maraming magkakaugnay na photon, ang bawat pares ng photon ay nagdadala ng isang napakagandang kaugnayan na dami ng impormasyon, na nagpapahintulot sa mas maraming detalye na makuha nang may mas kaunting kabuuang radiation.
Sa mga aplikasyon kung saan ang sample ay lubhang sensitibo—halimbawa, ilang partikular na protina, virus, molekula, o buhay na tisyu—na mayroong mababang intensidad ng liwanag na hindi makakasira sa eksperimento Mahalaga ito. Ang problema, gaya ng dati, ay ang pagbabawas ng intensidad ay nagpapataas ng relatibong ingay sa imahe, na kadalasang nagpapalabo sa resulta.
Nalalampasan ng Q-MIC ang balakid na ito sa pamamagitan ng paggamit mga pattern ng interference na nabuo ng mga magkakaugnay na photonSa halip na basta itala kung gaano karaming photon ang umaabot sa bawat pixel, nakikita ng kamera ang magkatugmang pares ng mga photon na dumadaan sa optical system at sinusuri ang mga ito, at ang impormasyong iyon ay ginagamit upang muling buuin ang imahe gamit ang mga advanced na algorithm sa matematika.
Dahil sa pamamaraang ito, ipinakita ng mga mananaliksik na posible bawasan ang ingay at dagdagan ang sensitibidad ng mga sukat nang higit sa 25% kumpara sa mga klasikong pamamaraan, pinapanatili ang mga magaan na dosis na mas mababa sa karaniwang antas.
Panghihimasok, mga plato ng Savart at muling pagtatayo ng imahe
Ang optical heart ng Q-MIC ay may kasamang isang set ng Mga plato ng Savartmga birefringent na kristal na may kakayahang hatiin ang isang sinag ng liwanag sa dalawang sinag na may magkaibang polariseysyon (pahalang at patayo) na naglalakbay nang bahagyang magkaibang landas, at mga elementong gabay na katulad ng mga ginagamit sa mga sistemang fiber optic.
Kapag ang mga pares ng magkakasabit na photon ay dumadaan sa sistemang ito, ang mga Savart plate Pinaghihiwalay nila ang kanilang mga landas at itinuturo ang mga ito patungo sa sampleKung ang sample ay perpektong patag at homogenous, ang mga photon path ay mananatiling halos magkapareho. Ngunit kung may mga pagkakaiba-iba sa kapal, refractive index, o iba pang mga katangian, nabubuo ang mga pagkakaiba sa phase na, kapag ang mga beam ay muling nagsama, ay nagdudulot ng mga kumplikadong interference pattern.
Hindi sinusukat ng kamera ng mikroskopyo ang mga antas ng intensidad ng optika sa karaniwang paraan, ngunit sa halip itinatala ang mga pagkakataong dumating ang photon sa iba't ibang punto sa larangan ng paningin. Sa pamamagitan ng pag-uulit ng proseso nang maraming beses, naiipon ang isang two-photon interference pattern, na nagko-code ng impormasyon tungkol sa pinong istruktura ng sample.
Sa tulong ng mga algorithm ng rekonstruksyon, batay sa mga pamamaraan ng matematika at pagproseso ng signal, ang mga siyentipiko Binabago nila ang mga disenyong iyon tungo sa detalyadong mga imahenang hindi nangangailangan ng point-to-point scanning system. Nagbibigay-daan ito para masakop ang medyo malawak na field of view na may mataas na sensitivity at mahusay na resolution, na lubhang kapaki-pakinabang para sa pagsusuri ng mga ibabaw at pinahabang sample.
Upang mapatunayan ang pagpapabuti, kumuha sila ng karaniwang sample ng protina A Ang sample ay inilagay sa isang glass slide na may mga selulang may parehong distansya. Una itong niliwanagan ng classical light at pagkatapos ay ng quantum light. Nakuha ang mga interference pattern sa parehong kaso, at muling binuo ang mga imahe. Malinaw ang resulta: gamit ang quantum light, ang imahe ay mas makinis, mas kaunting ingay at mas malinaw ang mga gilid ng mga istruktura.
Mga aplikasyon ng Q-MIC: mula sa mga nababaluktot na materyales hanggang sa mga virus
Ang mga resulta ng Q-MIC, na inilathala sa Paglago ScienceNilinaw nila na ang estratehiyang ito ng quantum lighting ay hindi lamang isang teoretikal na kuryosidad. Kasama sa mga inaasahang aplikasyon ang iba't ibang larangan tulad ng... Agham ng mga materyales, ang pagsusuri ng mga transparent na ibabaw para sa mga flexible na elektroniko o ang inspeksyon ng mga maselang patong.
Bukod pa rito, ang kanilang kakayahang makipagtulungan sa minutong dosis ng liwanag Dahil dito, isa itong mainam na kandidato para sa pag-aaral ng mga ultrasensitive na mikroorganismo, tulad ng ilang mga virus, at mga molekula na madaling mabulok sa ilalim ng matinding liwanag. Ang aplikasyon nito ay inaasahan din para sa mga lugar na quantum cryptography at mga ligtas na komunikasyonkung saan ang mahusay na pagkontrol sa magkakasabit na mga photon ay mahalaga.
Ipinapakita ng mikroskopyong Q-MIC na, sa pamamagitan ng wastong paggamit ng pagkakaugnay-ugnay, magagawa natin mapabuti ang kalidad ng impormasyong nakuha ng bawat photonpagbabawas ng ingay at pagpapataas ng katumpakan nang hindi kinakailangang taasan ang dosis ng liwanag.
Kasabay ng mga pamamaraang uri-QMC ng Caltech, pinatitibay ng Q-MIC ang ideya na Ang susunod na dakilang rebolusyon sa mikroskopya ay nakasalalay sa quantum opticshindi lamang sa pamamagitan ng pagbuo ng mas malalaking target o mas malalakas na laser.
4D quantum electron microscopy: nakikita ang liwanag na nakulong sa mga photonic crystal
Ang rebolusyong quantum sa imaging ay hindi limitado sa nakikitang liwanag o mga gas na sobrang lamig. Sa Israel, ang mga mananaliksik mula sa Technion – Instituto ng Teknolohiya ng Israel Nakabuo sila ng isang ultrafast na 4D na mikroskopyo ng elektron na nagpapahintulot sa direktang pagmamasid sa daloy ng liwanag na nakulong sa loob ng mga photonic crystal, isang bagay na hanggang ngayon ay maaari lamang pag-aralan sa pamamagitan ng mga simulation ng computer.
Ang sistemang ito, na unang inilarawan sa journal na Nature, ay itinuturing na isa sa mga ang pinaka-advanced na near-field optical microscopes sa mundobagaman ang teknolohikal na core nito ay batay sa isang ultrafast transmission electron microscope na may mga natatanging kakayahan.
Ang pangkat na pinamumunuan ni Propesor Ido Kaminer ay lumikha ng isang eksperimental na plataporma kung saan Ang mga ultrashort light pulses (na nasa order na wala pang 100 femtoseconds) ay nagpapa-excite sa sample Ang mga pulso ng mga electron, na pinabibilis sa mga boltahe sa pagitan ng 40 kV at 200 kV, ay sumusuri dito upang makuha ang transient state nito. Sa madaling salita, ang sample ay "naiilawan" at "kinokuhaan ng litrato" gamit ang mga electron sa napakaikling pagitan ng oras.
Sa ganitong konpigurasyon, posible pagmamapa ng mga interaksyon sa pagitan ng liwanag na nakakulong sa mga nanomaterial (tulad ng mga photonic crystal) at mga libreng elektron, pag-access ng impormasyon tungkol sa dinamika ng mga optical field na may walang kapantay na resolusyon sa espasyo at oras.
Ang praktikal na resulta ay, sa unang pagkakataon, magagawa ng mga siyentipiko direktang pagmasdan kung paano kumikilos ang liwanag kapag ito ay nakulong at ginagabayan sa mga istrukturang photonicSa halip na kailanganin lamang itong mahinuha mula sa mga modelo at simulasyon, nagbubukas ito ng isang bagong larangan para sa pagdidisenyo ng mga materyales na quantum at mga photonic device na may mga na-optimize na katangian, halimbawa, upang mag-imbak ng mga quantum bit (qubit) nang may mas mataas na katatagan.
Mga libreng pakete ng alon ng elektron at mga bagong penomenong quantum
Ang pinagbabatayan ng pagsulong na ito ay ang pisika ng napakabilis na interaksyon sa pagitan ng mga libreng elektron at liwanagAyon sa kaugalian, pinag-aralan ng quantum electrodynamics (QED) kung paano nakikipag-ugnayan ang quantum matter—mga atomo, quantum dots, superconducting circuits, atbp.—sa mga light mode na nakakulong sa mga cavity. Ito ang konseptwal na batayan ng maraming kasalukuyang teknolohiya ng quantum.
Gayunpaman, sa mga sistemang iyon, ang nakatali ang mga electron at ang kanilang mga estado ng enerhiya, saklaw ng spectral, at mga tuntunin sa pagpili ay lubos na limitado. Ang mga kamakailang pagsulong ay nakatuon sa isa pang entidad: ang mga pakete ng quantum wave ng mga libreng elektronHindi tulad ng mga nakagapos na elektron, ang mga paketeng ito ay maaaring sumaklaw sa malawak na saklaw ng enerhiya at galugarin ang mas iba't ibang mga interaksyon.
Ang problema ay, sa kabila ng maraming teoretikal na hula ng mga kamangha-manghang epekto sa mga photonic cavity para sa mga libreng electron, Walang sinuman ang nakapagmasid nang tiyak sa mga penomenong ito, dahil sa mga pangunahing limitasyon sa lakas at tagal ng interaksyon sa pagitan ng mga electron at nakakulong na liwanag.
Nalampasan ng mikroskopyo ng Technion ang balakid na ito, na nagpapahintulot upang direktang magtala ng mga near-field optical maps gamit ang quantum nature ng mga electronAng isang mahalagang ebidensya ay ang obserbasyon ng mga Rabi-type na osilasyon sa electronic spectrum, isang pag-uugali na hindi maipaliwanag ng mga purong klasikal na teorya.
Ang mas mahusay na mga interaksyon ng elektron na walang photon na ginalugad gamit ang sistemang ito ay maaaring humantong sa malalakas na pagkabit, sintesis ng photon sa mga espesyal na estado ng quantum, at mga nonlinear na penomena walang katulad. Ang lahat ng ito ay makikinabang kapwa sa electron microscopy (halimbawa, para sa pagtatrabaho gamit ang mababang dosis sa mga sensitibong materyales) at iba pang larangan ng free electron physics.
Bukod pa rito, ang kaalamang makukuha ay makakatulong sa Pagbutihin ang katulisan at contrast ng kulay sa mga kasalukuyang screen, tulad ng mga nakabatay sa teknolohiyang QLED (quantum dots), na nagdidisenyo na ng mas pare-parehong mga nano/quantum na materyales na nagbibigay-daan para sa mas mahusay na depinisyon ng imahe.
Kung pagsasama-samahin, ang kabuuan ng mga linyang ito ng pananaliksik—QMC sa Caltech, Q-MIC sa Europa, QUIONE, at ang 4D microscope ng Technion—ay naglalarawan kung saan ang Ang mikroskopya ay nagiging isang malalim na disiplina ng quantumkayang ipakita, kontrolin, at maging gayahin ang materya sa mga sukat na dating isa lamang teoretikal na pangarap.
Ang buong ecosystem na ito ng mga bagong mikroskopyo ng quantum Ito ay nagmamarka ng isang punto ng pagbabago: hindi na lamang ito tungkol sa pagtingin sa mas maliit na bahagi, kundi tungkol sa pagtingin sa ibang paraan, paggamit ng mga penomenong tulad ng pagkakaugnay-ugnay, paglalagay ng tunnel, pagkakaugnay-ugnay, at interference ng maraming partikulo upang kumuha ng impormasyong hindi maisip ilang dekada na ang nakalilipas. Habang ang mga teknolohiyang ito ay umuunlad at lumalampas sa laboratoryo, inaasahang babaguhin nito ang medisina, elektronika, agham ng mga materyales, at, sa mas malawak na paraan, ang ating pag-unawa sa mga pinakaloob na antas ng realidad.
