Jalinan kuantum foton menggandakan resolusi mikroskop
Menggunakan fenomena fizik kuantum yang "pelik", penyelidik Caltech telah menemui cara untuk menggandakan resolusi mikroskop cahaya.
Dalam makalah yang diterbitkan dalam jurnal Nature Communications, sebuah pasukan yang diketuai oleh Lihong Wang, Profesor Bren Kejuruteraan Perubatan dan Kejuruteraan Elektrik, menunjukkan lonjakan ke hadapan dalam mikroskop melalui apa yang dipanggil kuantum kuantum. Jalinan kuantum ialah fenomena di mana dua zarah dihubungkan supaya keadaan satu berkorelasi dengan keadaan yang lain, tidak kira sama ada zarah itu berdekatan antara satu sama lain. Albert Einstein menggelar keterikatan kuantum sebagai "tindakan menyeramkan pada jarak jauh" kerana ia tidak dapat dijelaskan oleh teori relativitinya.
Menurut teori kuantum, sebarang jenis zarah boleh terjerat. Dalam teknik mikroskopi baru Wang, yang dipanggil mikroskop kuantum kebetulan (QMC), zarah terjerat adalah foton. Secara kolektif, dua foton terjerat dipanggil dua foton, dan yang penting untuk mikroskop Wang, mereka berkelakuan dalam beberapa cara sebagai zarah tunggal dengan dua kali ganda momentum foton tunggal.
Oleh kerana mekanik kuantum mengatakan bahawa semua zarah juga adalah gelombang, dan panjang gelombang gelombang adalah berkadar songsang dengan momentum zarah, zarah dengan momentum mempunyai panjang gelombang yang lebih kecil. Oleh itu, oleh kerana dua foton mempunyai dua kali momentum foton, ia mempunyai separuh panjang gelombang foton tunggal.
Ini adalah kunci kepada cara QMC berfungsi. Mikroskop hanya boleh imej ciri pada objek yang saiz terkecil adalah separuh panjang gelombang cahaya yang digunakan oleh mikroskop. Mengurangkan panjang gelombang cahaya ini bermakna mikroskop boleh melihat perkara yang lebih kecil, meningkatkan resolusi.
Jalinan kuantum bukan satu-satunya cara untuk mengurangkan panjang gelombang cahaya yang digunakan dalam mikroskop. Sebagai contoh, cahaya hijau mempunyai panjang gelombang yang lebih pendek daripada cahaya merah, dan cahaya ungu mempunyai panjang gelombang yang lebih pendek daripada cahaya hijau. Tetapi disebabkan satu lagi ciri fizik kuantum, cahaya dengan panjang gelombang yang lebih pendek membawa lebih banyak tenaga. Oleh itu, sebaik sahaja anda terdedah kepada cahaya dengan panjang gelombang yang cukup kecil untuk menggambarkan benda-benda kecil, cahaya itu membawa tenaga yang begitu banyak sehingga boleh merosakkan objek yang diimej, terutamanya benda hidup seperti sel. Inilah sebabnya mengapa sinaran ultraungu (UV) panjang gelombang yang sangat pendek boleh memberi anda selaran matahari.
Had ini dielakkan dengan menggunakan dua foton, yang membawa tenaga yang lebih rendah daripada foton panjang gelombang yang lebih panjang, sementara pada masa yang sama mempunyai panjang gelombang yang lebih pendek daripada foton tenaga yang lebih tinggi.
"Sel tidak menyukai cahaya UV, " kata Wang. "Bagaimanapun, jika kita boleh imej sel menggunakan 400-cahaya nanometer dan mencapai kesan 200-cahaya nanometer, iaitu cahaya ultraungu, sel akan gembira dan kita mendapat resolusi ultraungu.
Untuk mencapai matlamat ini, pasukan Wang membina peranti optik yang memancarkan cahaya laser ke dalam kristal khas yang menukar beberapa foton yang melaluinya menjadi dua foton. Walaupun dengan kristal khusus ini, suis ini sangat jarang berlaku, berlaku pada urutan satu dalam sejuta foton. Dengan menggunakan satu siri cermin, kanta dan prisma, setiap dua foton - secara berkesan terdiri daripada dua foton diskret - dipecah dan dialih-alih di sepanjang dua laluan, jadi salah satu foton berpasangan melalui objek yang diimej dan satu lagi tidak. .
Foton yang melalui objek dipanggil foton isyarat, dan foton yang tidak melalui objek dipanggil foton terbiar. Foton tersebut kemudiannya meneruskan melalui lebih banyak optik sehingga mereka mencapai pengesan yang disambungkan ke komputer yang membina imej sel berdasarkan maklumat yang dibawa oleh foton isyarat. Yang menghairankan, walaupun terdapat objek dan laluannya yang berasingan, foton berpasangan kekal terikat sebagai dua foton, yang berkelakuan pada separuh panjang gelombang.
Makmal bukanlah yang pertama menyiasat pengimejan dua foton jenis ini, tetapi ia adalah yang pertama menggunakan konsep untuk mencipta sistem kerja. "Kami membangunkan apa yang kami fikirkan sebagai teori yang ketat dan ukuran kekusutan yang lebih pantas dan lebih tepat. Kami mencapai resolusi mikroskopik dan pengimejan selular.
Walaupun secara teorinya tiada had kepada bilangan foton yang boleh terikat antara satu sama lain, setiap foton tambahan meningkatkan lagi momentum multifoton yang terhasil sambil mengurangkan lagi panjang gelombangnya.
Penyelidikan masa depan boleh menjerat lebih banyak foton, walaupun dia menyatakan bahawa setiap foton tambahan mengurangkan lagi kebarangkalian terjerat yang berjaya, yang sudah serendah satu dalam sejuta, seperti yang dinyatakan di atas.
