La Kvanteteknologi revolusjonerer måten vi ser på den mikroskopiske verdenDet som for noen tiår siden virket som science fiction – å se levende celler i ekstrem detalj uten å skade dem, følge bevegelsen til lys fanget i en krystall, eller fotografere atomer ett etter ett – begynner å bli rutine i ledende laboratorier verden over.
Takk til nye kvantemikroskoper som er i stand til å overvinne de klassiske oppløsningsgrenseneForskere bryter ned barrierer som har definert grensene for hva som er mulig i over et århundre. Fra optisk mikroskopi av levende celler basert på sammenfiltrede fotoner til kvantesimulatorer av ultrakalde gasser og 4D-elektronmikroskoper, er det felles målet klart: å utvinne mye mer informasjon med mindre lys eller lavere strålingsdoser, og å se strukturer som tidligere var bokstavelig talt usynlige.
Den klassiske oppløsningsgrensen og hvorfor normalt lys ikke er nok
I et konvensjonelt optisk mikroskop, Evnen til å skille mellom små detaljer er begrenset av lysets bølgelengde som brukes. Som en generell regel kan bare strukturer med en størrelse på minst omtrent halvparten av bølgelengden oppløses.
Dette innebærer at det, ved bruk av standard synlig lys, finnes et punkt der Du kan ikke fortsette å forbedre oppløsningen bare ved å legge til mer forstørrelse.Vi kan komme nærmere, ja, men detaljene begynner å bli uklare fordi lysets bølgelignende natur fungerer som et fysisk tak.
En åpenbar måte å gå videre på er å bruke lys med kortere bølgelengdesom fiolett eller til og med ultrafiolett (UV). Jo kortere bølgelengde, desto mindre detaljer kan mikroskopet skille. Dette har imidlertid en viktig ulempe: disse strålingene bærer mer energi og kan skade eller drepe levende celler og delikate molekyler, noe som er uakseptabelt innen cellebiologi, medisin eller i mange høypresisjonseksperimenter.
Forskere har slitt med denne balansen i årevis: Hvis lysintensiteten reduseres for å unngå steking av prøven, blir bildet støyende.Den mister kontrast og kritiske detaljer. Hvis intensiteten økes for mye, eller det brukes svært energisk stråling, vil prøven lide irreversibel skade. Det er her kvantefysikkens ideer kommer inn i bildet.
Tradisjonell optikk kommer til kort når det gjelder å jonglere svakt lys, høy følsomhet og ekstrem oppløsning. I dette scenariet er bruken av nøye forberedt kvantelys, slik som par av sammenfiltrede fotonerDet lar oss omgå noen av disse begrensningene og åpne et helt nytt vindu til mikro- og nanoverdenen.
Mellom den «skumle» handlingen og det perfekte bildet: kvanteforvikling
Et av de mest slående fenomenene i moderne fysikk er kvanteforviklingerI følge kvantemekanikken kan to partikler bli så tett korrelert at den enes tilstand er knyttet til den andres, uavhengig av avstanden mellom dem. Albert Einstein beskrev dette som «skummel handling på avstand» fordi det kolliderte med klassisk intuisjon og med hva hans egen relativitetsteori antydet.
I mikroskopisk sammenheng oversettes denne sammenfiltringen til par av sammenfiltrede fotoner, kjent som bifotonerFra et kvanteperspektiv oppfører et bifoton seg nesten som en enkelt sammensatt partikkel med en momentum som er omtrent dobbelt så høyt som et individuelt foton.
Kvantemekanikken minner oss om at Hver partikkel har også en bølgelignende karakterI denne sammenhengen er bølgelengden omvendt relatert til momentum: jo større momentum, desto kortere bølgelengde. Dette betyr at siden bifotonet har et større effektivt momentum, den effektive bølgelengden er omtrent halvparten av de løse fotonene som den ble generert med.
Hele dette samspillet mellom bølger og partikler er interessant fordi, hvis vi kan få mikroskopet til å fungere som om det brukte en lys med en bølgelengde tilsvarende halvpartenVi kan se detaljer dobbelt så små uten å ty til mer energisk eller mer aggressiv stråling for cellene.
Denne smarte bruken av kvanteforvikling åpner døren for teknikker som, ved å holde fotoner med myke energier (for eksempel rundt 400 nanometer bølgelengde i det fiolette området), De oppnår en oppløsning som er sammenlignbar med ultrafiolett lys, men med en mye kortere varighet., i størrelsesorden 200 nanometer, men uten å ødelegge prøven.
Kvante-konsidinsmikroskopi (QMC): dobling av oppløsningen uten å steke cellene
En gruppe forskere fra California Institute of Technology (Caltech) har utviklet en teknikk som kalles Kvante-koincidensmikroskopi (QMC)Denne metoden, beskrevet i tidsskriftet Nature Communications som «kvantecellemikroskopi ved Heisenberg-grensen», lover å doble oppløsningen som kan oppnås med et konvensjonelt optisk mikroskop.
Hovedideen bak QMC er å utnytte par av fotoner flettet sammen for å danne bifotonerDisse bifotonene oppfører seg som én enhet med dobbelt så mye momentum og derfor en kortere effektiv bølgelengde. Dermed kan et system som bruker 400 nm lys (på kanten av fiolett) oppnå en oppløsning som ligner på 200 nm lys (i full ultrafiolett), samtidig som energien som avsettes på prøven holdes på et mye mer håndterbart nivå.
Professor Lihong Wang, professor i medisinsk teknikk og elektroteknikk ved Caltech og hovedforfatter av dette arbeidet, oppsummerer det svært grafisk: celler «kommer ikke overens» med ultrafiolett lys, men hvis vi belyser med 400 nm og oppnår samme oppløsningseffekt som med 200 nm, Cellene er «glade», og mikroskopet fortsetter å øke detaljene..
Denne tilnærmingen løser det klassiske dilemmaet i ett jafs: Det er ikke nødvendig å bruke ekstremt energisk lys for å se veldig små strukturer.Ved å manipulere kvantesammenfiltring og måten samsvar mellom parede fotoner måles på, gjør QMC-systemet det mulig for mikroskopet å få mer ut av hvert foton uten å øke potensiell skade på levende prøver.
I motsetning til tradisjonelle mikroskoper, som bare fanger opp detaljer om et objekt som er sammenlignbart i størrelse med halvparten av bølgelengden til lyset som brukes, kan QMC Det lar deg se mye mindre strukturer ved å bruke mindre skadelige lysOg dessuten gjør den det med en eksperimentell konfigurasjon som, ifølge skaperne, allerede er et levedyktig system og ikke bare en engangs laboratoriedemonstrasjon.
Slik fungerer QMC trinn for trinn
For å realisere denne ideen bygde Caltech-teamet en optisk enhet der en laser skinner på en spesiell krystallDenne krystallen er designet for å transformere en liten brøkdel av innfallende fotoner til sammenfiltrede par, bifotoner. Foreløpig er effektiviteten svært lav (i størrelsesorden én per million fotoner), men forskere jobber allerede med å forbedre denne hastigheten.
Når disse bifotonene er generert, De separerer ved hjelp av speil, linser og prismerslik at de to fotonene som utgjør dem følger forskjellige baner. Det ene passerer gjennom prøven vi ønsker å observere (det kalles signalfotonet), og det andre passerer ikke gjennom prøven (det er det inaktive fotonet).
Begge fotonene fortsetter deretter sin vei gjennom systemets optikk til de når en detektor som er koblet til en datamaskin. Trikset er at datamaskinen Den teller ikke bare individuelle fotoner, men snarere tilfeldigheter mellom de to sammenfiltrede fotonene.Basert på denne informasjonen rekonstrueres bildet av prøven, ved å utnytte parets sammenflettede natur.
Det som er overraskende er at, til tross for at man tar separate ruter når man har passert gjennom cellen eller en annen type objekt, Fotonene opprettholder sin vikling og oppfører seg som et bifoton. mens de blir oppdaget. Systemet utnytter denne kvantekoherensen slik at helheten oppfører seg som om den hadde halve bølgelengden.
Selv om andre grupper allerede har lykkes med å ta bilder med bifotoner, hevder Wangs team at dette er den første mikroskopisk detaljert oppsett som demonstrerer et praktisk og reproduserbart systemDe har utviklet en grundig teori for å beskrive prosessen, en rask og nøyaktig metode for å måle sammenfiltring, og har demonstrert dens nytteverdi på ekte biologiske prøver.
Se levende celler mer detaljert og med mindre skade
Caltech-teamet brukte kvantemikroskopet sitt til å få bilder av kreftcellerTakket være den forbedrede oppløsningen kunne de tydelig identifisere ulike indre strukturer som et klassisk optisk mikroskop, med sammenlignbar lys og dose, ikke kunne oppløse.
Det mest slående er at Cellene ble ikke skadet eller ødelagt under prosessenfordi strålingen som ble brukt ikke var spesielt energisk. Magien ligger i hvordan kvanteinformasjonen som bæres av bifotonene utnyttes, ikke i å "bombardere" cellen med stadig mer aggressive fotoner.
Denne teknikken oppfattes som et svært lovende fremskritt innen Medisinsk avbildning og biomedisinsk forskningÅ kunne studere levende celler, vev eller til og med delikate mikroorganismer med et oppløsningsnivå nær grensen som kvantefysikken setter (den såkalte Heisenberg-grensen) uten å ødelegge dem åpner døren for tidlig diagnose, bedre overvåking av behandlinger og en bedre forståelse av kritiske biologiske prosesser.
Fremover vurderer forskere muligheten for bruke mer enn to sammenfiltrede fotoner å forbedre oppløsningen ytterligere og optimalisere teknologien for å redusere bakgrunnsstøy knyttet til fotonenes interaksjon med omgivelsene. Hver forbedring vil ytterligere øke kvaliteten og nøyaktigheten på bildene som oppnås.
Parallelt legger denne utviklingen grunnlaget for anvendelser innen felt som kvantedatamaskinering, kryptografi eller design av nye materialerhvor evnen til å karakterisere strukturer på nanoskala uten å skade dem er rent gull.
Kvantegassmikroskoper: frysing av atomer og undersøkelse av dem én etter én
I mellomtiden har det blitt gjort fremskritt i Europa på en annen komplementær front: kvantemikroskoper av ultrakalde gasser. Et emblematisk eksempel er QUIONE, utviklet av Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) i Castelldefels, som har blitt presentert i PRX Quantum magazine.
QUIONE fungerer som en «kvantesimulator» som kjøler ned strontiumatomer til temperaturer nær det absolutte nullpunktDen organiserer dem i et optisk nettverk og lar dem observeres individuelt, nesten som om de var egg plassert i hullene i en kartong, men på atomær skala.
Tradisjonelt hadde kvantegassmikroskop vært basert på alkaliatomer som litium eller kaliumsom er optisk enklere å håndtere. Å bringe strontium – et jordalkaliatom med et mer komplekst spektrum – inn i kvanteregimet åpner døren for å simulere mye mer eksotiske materialer og faser av materie.
Skjemaet er som følger: temperaturen på strontiumgassen reduseres til ekstremt lave verdier i noen få millisekunder, noe som får atomene til å sakke ned nesten helt og bli fanget i et optisk nettet slags «rutenett» av lys generert av lasere. Hvert sted i rutenettet oppfører seg som en liten energibrønn hvor det med høy sannsynlighet vil befinne seg et atom.
Takket være denne konfigurasjonen har teamet vært i stand til å få bilder atom for atom og å studere fenomener som superfluiditet, der strontiumgass flyter uten viskositet. Videre illustrerer dynamikken til atomene, som "hopper" fra ett sted til et annet i gitteret uten å måtte overvinne klassiske barrierer, direkte den berømte kvantetunneleffekt.
QUIONE som en analog kvanteprosessor og nytt materiallaboratorium
QUIONE er ikke bare et mikroskop: det er i hovedsak et analog kvanteprosessorVed å justere formen på det optiske gitteret, lasernes intensitet, samspillet mellom atomer og andre parametere, kan forskere «programmere» systemet til å etterligne oppførselen til komplekse virkelige materialermen i et svært kontrollert miljø.
Dette gir oss muligheten til å ta tak i vanskelige spørsmål, for eksempel Hvorfor leder visse materialer strøm uten tap? (superledning) ved relativt høye temperaturer, eller hvordan elektroner er organisert i topologiske faser som fortsatt er dårlig forstått.
Muligheten til å studere strontiumgasser med en slik presisjon, ved hjelp av et kvantemikroskop av denne typen, gjør QUIONE et strategisk verktøy for utvikling av fremtidens kvantedatamaskiner og tilhørende teknologier. Strontium er spesielt attraktivt for å bygge ultrapresise atomklokker og robuste kvanteprosessorer, så det å ha en enhet som gjør at den kan manipuleres og visualiseres i skalaen til et enkelt atom er en sann vitenskapelig luksus.
Forskere som Leticia Tarruell og teamet hennes påpeker det Denne typen kvantesimulering vil bidra til å løse ekstremt komplekse mikroskopiske systemer., som gir ledetråder til hvordan man kan designe nye materialer med skreddersydde egenskaper, fra forbedrede superledere til topologiske isolatorer.
Dermed befinner vi oss med en familie av kvantemikroskoper som ikke bare viser verden, men gjenskaper den i miniatyr for å bedre forstå den, noe som virket reservert for teoretiske modeller inntil ganske nylig.
Kvantelys med svært lav intensitet: det europeiske prosjektet Q-MIC
Nok en sterk innsats på Kvantemikroskopi kommer fra det europeiske prosjektet Q-MICDette prosjektet, som også i stor grad ledes av ICFO og samarbeidspartnere fra Italia og Tyskland, har pågått siden 2018 for å utvikle et mikroskop som er i stand til å bruke kvantelys med svært lav intensitet for å få bilder med et bredt synsfelt, høy følsomhet og bedre oppløsning enn klassiske mikroskoper.
Q-MIC-enheten er unik fordi den er spesielt utviklet for belys prøven med par av sammenfiltrede fotonerI stedet for konvensjonelt lys som består av mange uordnede fotoner, bærer hvert fotonpar en utsøkt korrelert mengde informasjon, noe som gjør at flere detaljer kan trekkes ut med mindre total stråling.
I applikasjoner der prøven er ekstremt følsom – for eksempel visse proteiner, virus, molekyler eller levende vev – som har lavintensivt lys som ikke vil ødelegge eksperimentet Det er viktig. Problemet, som alltid, er at det å redusere intensiteten øker den relative støyen i bildet, noe som vanligvis gjør resultatet uskarpt.
Q-MIC overvinner denne hindringen ved å bruke interferensmønstre generert av sammenfiltrede fotonerI stedet for å bare registrere hvor mange fotoner som når hver piksel, oppdager kameraet matchende par av fotoner som passerer gjennom det optiske systemet og sampler dem, og den informasjonen brukes til å rekonstruere bildet ved hjelp av avanserte matematiske algoritmer.
Takket være denne tilnærmingen har forskere vist at det er mulig redusere støy og øke følsomheten til målingene med mer enn 25 % sammenlignet med klassiske teknikker, og opprettholder lette doser godt under de vanlige nivåene.
Interferens, Savart-plater og bilderekonstruksjon
Det optiske hjertet i Q-MIC inkluderer et sett med Savart-tallerkenerdobbeltbrytende krystaller som er i stand til å dele en lysstråle i to stråler med forskjellige polarisasjoner (horisontal og vertikal) som beveger seg litt forskjellige baner, og styrende elementer som ligner på de som brukes i fiberoptiske systemer.
Når par av sammenfiltrede fotoner passerer gjennom dette systemet, Savart-platene De skiller stiene sine og leder dem mot prøvenHvis prøven er helt flat og homogen, forblir fotonbanene nesten identiske. Men hvis det er variasjoner i tykkelse, brytningsindeks eller andre egenskaper, genereres faseforskjeller som, når strålene rekombineres, gir opphav til komplekse interferensmønstre.
Mikroskopkameraet måler ikke optiske intensitetsnivåer på vanlig måte, men heller registrerer fotonankomsttilfeldigheter på forskjellige punkter i synsfeltet. Ved å gjenta prosessen mange ganger, akkumuleres et to-foton interferensmønster som koder for informasjon om den fine strukturen til prøven.
Ved hjelp av rekonstruksjonsalgoritmer, basert på matematiske og signalbehandlingsteknikker, har forskere De forvandler disse mønstrene til detaljerte bilderuten behov for et punkt-til-punkt-skanningssystem. Dette gjør det mulig å dekke relativt brede synsfelt med høy følsomhet og god oppløsning, noe som er svært nyttig for å analysere overflater og store prøver.
For å bekrefte forbedringen tok de en standardprøve av protein A Prøven ble plassert på et objektglass med like langt unna hverandre. Den ble først belyst med klassisk lys og deretter med kvantelys. Interferensmønstre ble oppnådd i begge tilfeller, og bildene ble rekonstruert. Resultatet var tydelig: med kvantelys var bildet mye jevnere, med mindre støy og bedre definerte kanter på strukturene.
Q-MIC-applikasjoner: fra fleksible materialer til virus
Resultatene fra Q-MIC, publisert i Vitenskap FremskrittDe gjør det klart at denne kvantebelysningsstrategien ikke bare er en teoretisk kuriositet. De forventede bruksområdene inkluderer felt så varierte som... Materialvitenskap , analyse av gjennomsiktige overflater for fleksibel elektronikk eller inspeksjon av delikate belegg.
Videre deres evne til å jobbe med små lysdoser Dette gjør den til en ideell kandidat for å studere ultrasensitive mikroorganismer, som visse virus, og molekyler som lett brytes ned under intenst lys. Dens anvendelse er også tenkt for områder av kvantekryptografi og sikker kommunikasjonhvor finkontroll av viklede fotoner er nøkkelen.
Q-MIC-mikroskopet viser at vi, ved å utnytte sammenfiltring på riktig måte, kan forbedre kvaliteten på informasjonen som utvinnes av hvert fotonreduserer støy og øker nøyaktigheten uten å måtte øke lysdosen.
Parallelt med Caltechs QMC-lignende teknikker forsterker Q-MIC ideen om at Den neste store revolusjonen innen mikroskopi ligger i kvanteoptikkikke bare ved å bygge større mål eller kraftigere lasere.
4D kvanteelektronmikroskopi: å se lys fanget i fotoniske krystaller
Kvante-revolusjonen innen avbildning er ikke begrenset til synlig lys eller ultrakalde gasser. I Israel har forskere fra Technion – Instituto Tecnológico de Israel De har utviklet en ultraraskt 4D-elektronmikroskop som tillater direkte observasjon av lysstrømmen fanget inne i fotoniske krystaller, noe som frem til nå bare kunne studeres gjennom datasimuleringer.
Dette systemet, som først ble beskrevet i tidsskriftet Nature, regnes som et av de verdens mest avanserte optiske nærfeltsmikroskoperselv om den teknologiske kjernen er basert på et ultraraskt transmisjonselektronmikroskop med unike funksjoner.
Teamet ledet av professor Ido Kaminer har laget en eksperimentell plattform der Ultrakorte lyspulser (i størrelsesorden mindre enn 100 femtosekunder) eksiterer prøven Elektronpulser, akselerert til spenninger mellom 40 kV og 200 kV, undersøker prøven for å fange dens transiente tilstand. Med andre ord blir prøven «belyst» og «fotografert» med elektroner med utrolig korte tidsintervaller.
Med denne konfigurasjonen er det mulig kartlegging av interaksjonene mellom lys innesperret i nanomaterialer (som fotoniske krystaller) og frie elektroner, tilgang til informasjon om dynamikken til optiske felt med enestående romlig og tidsmessig oppløsning.
Det praktiske resultatet er at forskere for første gang kan observere direkte hvordan lys oppfører seg når det blir fanget og ledet i fotoniske strukturerI stedet for å måtte utlede det utelukkende fra modeller og simuleringer, åpner dette opp et nytt felt for å designe kvantematerialer og fotoniske enheter med optimaliserte egenskaper, for eksempel for å lagre kvantebiter (qubits) med større stabilitet.
Frie elektronbølgepakker og nye kvantefenomener
Underliggende for dette fremskrittet ligger fysikken til ultraraske interaksjoner mellom frie elektroner og lysTradisjonelt har kvanteelektrodynamikk (QED) studert hvordan kvantematerie – atomer, kvanteprikker, superledende kretser osv. – samhandler med lysmoduser innesperret i hulrom. Det er det konseptuelle grunnlaget for mange nåværende kvanteteknologier.
Imidlertid, i disse systemene elektroner er bundet og deres energitilstander, spektralområde og seleksjonsregler er svært begrensede. Nyere fremskritt har fokusert på en annen enhet: kvantebølgepakker med frie elektronerI motsetning til bundne elektroner, kan disse pakkene spenne over et bredt energiområde og utforske mye mer varierte interaksjoner.
Problemet var at, til tross for flere teoretiske forutsigelser av fascinerende effekter i fotoniske hulrom for frie elektroner, Ingen hadde vært i stand til å observere disse fenomenene med sikkerhet, på grunn av grunnleggende begrensninger i styrken og varigheten av samspillet mellom elektroner og begrenset lys.
Technion-mikroskopet overvinner denne hindringen, slik at å registrere optiske nærfeltskart ved å bruke elektronenes kvante natur direkteEt sentralt bevis er observasjonen av Rabi-type svingninger i det elektroniske spekteret, en oppførsel som ikke kan forklares med rent klassiske teorier.
De mer effektive fotonfrie elektroninteraksjonene som utforskes med dette systemet kan føre til sterke koblinger, fotonsyntese i spesielle kvantetilstander og ikke-lineære fenomener enestående. Alt dette ville være til fordel for både elektronmikroskopi (for eksempel for arbeid med lave doser på sensitive materialer) og andre felt innen fri elektronfysikk.
Videre vil kunnskapen som tilegnes bidra til å Forbedre skarphet og fargekontrast på nåværende skjermer, slik som de som er basert på QLED-teknologi (kvanteprikker), og som allerede designer mer ensartede nano-/kvantematerialer som gir enda bedre bildeoppløsning.
Samlet sett tegner summen av disse forskningslinjene – QMC ved Caltech, Q-MIC i Europa, QUIONE og Technions 4D-mikroskop – et bilde der Mikroskopi blir en dypt kvantefisiplini stand til å vise, kontrollere og til og med simulere materie i skalaer som tidligere bare var en teoretisk drøm.
Hele dette økosystemet av nye kvantemikroskoper Dette markerer et vendepunkt: det handler ikke lenger bare om å se i mindre skala, men om å se annerledes, utnytte fenomener som sammenfiltring, tunnelering, koherens og interferens fra flere partikler for å trekke ut informasjon som var utenkelig for noen tiår siden. Etter hvert som disse teknologiene modnes og beveger seg utover laboratoriet, forventes de å transformere medisin, elektronikk, materialvitenskap og, mer generelt, vår forståelse av virkelighetens innerste nivåer.
