Η κβαντική εμπλοκή φωτονίων διπλασιάζει την ανάλυση του μικροσκοπίου
Χρησιμοποιώντας ένα «περίεργο» φαινόμενο της κβαντικής φυσικής, οι ερευνητές του Caltech ανακάλυψαν έναν τρόπο να διπλασιάσουν την ανάλυση των μικροσκοπίων φωτός.
Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Communications, μια ομάδα με επικεφαλής τον Lihong Wang, τον καθηγητή Ιατρικής Μηχανικής και Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του Bren, επιδεικνύει ένα άλμα προς τα εμπρός στη μικροσκοπία μέσω της λεγόμενης κβαντικής εμπλοκής. Η κβαντική εμπλοκή είναι ένα φαινόμενο στο οποίο δύο σωματίδια συνδέονται έτσι ώστε η κατάσταση του ενός να συσχετίζεται με την κατάσταση του άλλου, ανεξάρτητα από το αν τα σωματίδια βρίσκονται το ένα κοντά στο άλλο. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν ονόμασε την κβαντική εμπλοκή «απόκοσμη δράση σε απόσταση» επειδή δεν μπορούσε να εξηγηθεί από τη θεωρία της σχετικότητας.
Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, κάθε τύπος σωματιδίου μπορεί να εμπλακεί. Στη νέα τεχνική μικροσκοπίας του Wang, που ονομάζεται κβαντική μικροσκοπία σύμπτωσης (QMC), τα μπερδεμένα σωματίδια είναι φωτόνια. Συλλογικά, δύο μπερδεμένα φωτόνια ονομάζονται δύο φωτόνια, και το σημαντικότερο για το μικροσκόπιο του Wang, συμπεριφέρονται κατά κάποιο τρόπο ως ένα μεμονωμένο σωματίδιο με διπλάσια ορμή από ένα μόνο φωτόνιο.
Εφόσον η κβαντομηχανική λέει ότι όλα τα σωματίδια είναι επίσης κύματα και το μήκος κύματος ενός κύματος είναι αντιστρόφως ανάλογο με την ορμή του σωματιδίου, το σωματίδιο με ορμή έχει μικρότερο μήκος κύματος. Επομένως, εφόσον ένα δύο φωτόνιο έχει διπλάσια ορμή από ένα φωτόνιο, έχει το μισό μήκος κύματος ενός φωτονίου.
Αυτό είναι το κλειδί για τον τρόπο που λειτουργεί το QMC. Τα μικροσκόπια μπορούν να απεικονίσουν μόνο στοιχεία σε αντικείμενα των οποίων το μικρότερο μέγεθος είναι το μισό του μήκους κύματος του φωτός που χρησιμοποιείται από το μικροσκόπιο. Η μείωση του μήκους κύματος αυτού του φωτός σημαίνει ότι το μικροσκόπιο μπορεί να δει μικρότερα πράγματα, βελτιώνοντας την ανάλυση.
Η κβαντική εμπλοκή δεν είναι ο μόνος τρόπος για να μειωθεί το μήκος κύματος του φωτός που χρησιμοποιείται στα μικροσκόπια. Για παράδειγμα, το πράσινο φως έχει μικρότερο μήκος κύματος από το κόκκινο φως και το ιώδες φως έχει μικρότερο μήκος κύματος από το πράσινο φως. Αλλά λόγω μιας άλλης ιδιορρυθμίας της κβαντικής φυσικής, το φως με μικρότερα μήκη κύματος μεταφέρει περισσότερη ενέργεια. Έτσι, μόλις εκτεθείτε σε φως με ένα μήκος κύματος αρκετά μικρό για να απεικονίσετε μικροσκοπικά πράγματα, το φως μεταφέρει τόση ενέργεια που μπορεί να βλάψει το αντικείμενο που απεικονίζεται, ειδικά ζωντανά πράγματα όπως τα κύτταρα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι υπεριώδεις ακτίνες πολύ μικρού μήκους κύματος (UV) μπορούν να σας προκαλέσουν ηλιακό έγκαυμα.
Αυτός ο περιορισμός παρακάμπτεται με τη χρήση δύο φωτονίων, τα οποία φέρουν τη χαμηλότερη ενέργεια του φωτονίου μεγαλύτερου μήκους κύματος, ενώ ταυτόχρονα έχουν το μικρότερο μήκος κύματος του φωτονίου υψηλότερης ενέργειας.
«Τα κύτταρα δεν αγαπούν το υπεριώδες φως», είπε ο Wang. "Ωστόσο, εάν μπορούμε να απεικονίσουμε κελιά χρησιμοποιώντας 400-νανομετρικό φως και να επιτύχουμε το αποτέλεσμα του 200-νανομέτρου φωτός, το οποίο είναι το υπεριώδες φως, τα κύτταρα είναι χαρούμενα και έχουμε υπεριώδη ανάλυση.
Για να το πετύχει αυτό, η ομάδα του Wang κατασκεύασε μια οπτική συσκευή που εκπέμπει φως λέιζερ σε έναν ειδικό κρύσταλλο που μετατρέπει μερικά από τα φωτόνια που περνούν μέσα από αυτό σε δύο φωτόνια. Ακόμη και με αυτόν τον συγκεκριμένο κρύσταλλο, αυτός ο διακόπτης είναι εξαιρετικά σπάνιος, που εμφανίζεται της τάξης του ενός στο εκατομμύριο φωτόνια. Χρησιμοποιώντας μια σειρά από κάτοπτρα, φακούς και πρίσματα, κάθε δύο φωτόνιο - που ουσιαστικά αποτελείται από δύο διακριτά φωτόνια - χωρίζεται και μεταφέρεται κατά μήκος δύο μονοπατιών, έτσι ένα από τα ζευγαρωμένα φωτόνια περνά μέσα από το αντικείμενο που απεικονίζεται και το άλλο όχι. .
Τα φωτόνια που διέρχονται από το αντικείμενο ονομάζονται φωτόνια σήματος και τα φωτόνια που δεν περνούν μέσα από το αντικείμενο ονομάζονται αδρανείς φωτόνια. Αυτά τα φωτόνια συνεχίζουν στη συνέχεια μέσω περισσότερων οπτικών μέχρι να φτάσουν σε έναν ανιχνευτή συνδεδεμένο με έναν υπολογιστή που δημιουργεί μια εικόνα του κυττάρου με βάση τις πληροφορίες που μεταφέρονται από τα φωτόνια σήματος. Παραδόξως, παρά την παρουσία του αντικειμένου και τις ξεχωριστές διαδρομές του, τα ζευγαρωμένα φωτόνια παρέμειναν μπερδεμένα ως δύο φωτόνια, τα οποία συμπεριφέρονταν στο μισό μήκος κύματος.
Το εργαστήριο δεν είναι το πρώτο που διερεύνησε αυτό το είδος απεικόνισης δύο φωτονίων, αλλά είναι το πρώτο που χρησιμοποίησε την ιδέα για να δημιουργήσει ένα λειτουργικό σύστημα. «Αναπτύξαμε αυτό που πιστεύαμε ότι ήταν μια αυστηρή θεωρία και πιο γρήγορες, πιο ακριβείς μετρήσεις της εμπλοκής. Πετύχαμε μικροσκοπική ανάλυση και κυτταρική απεικόνιση.
Ενώ θεωρητικά δεν υπάρχει όριο στον αριθμό των φωτονίων που μπορούν να εμπλακούν μεταξύ τους, κάθε επιπλέον φωτόνιο αυξάνει περαιτέρω την ορμή του προκύπτοντος πολυφωτονίου ενώ μειώνει περαιτέρω το μήκος κύματός του.
Η μελλοντική έρευνα θα μπορούσε να εμπλέξει περισσότερα φωτόνια, αν και σημειώνει ότι κάθε επιπλέον φωτόνιο μειώνει περαιτέρω την πιθανότητα επιτυχούς εμπλοκής, η οποία είναι ήδη τόσο χαμηλή όσο ένα στο εκατομμύριο, όπως αναφέρθηκε παραπάνω.
