La Kvanteteknologi revolutionerer den måde, vi ser på den mikroskopiske verdenDet, der for få årtier siden virkede som science fiction – at se levende celler i ekstreme detaljer uden at beskadige dem, følge bevægelsen af lys fanget i en krystal eller fotografere atomer et efter et – er begyndt at blive rutine i førende laboratorier verden over.
Takket være nye kvantemikroskoper, der er i stand til at overvinde de klassiske opløsningsgrænserForskere nedbryder barrierer, der har defineret grænserne for, hvad der er muligt i over et århundrede. Fra optisk mikroskopi af levende celler baseret på sammenfiltrede fotoner til kvantesimulatorer af ultrakolde gasser og 4D-elektronmikroskoper er det fælles mål klart: at udtrække meget mere information med mindre lys eller lavere doser af stråling og at se strukturer, der tidligere bogstaveligt talt var usynlige.
Den klassiske opløsningsgrænse og hvorfor normalt lys ikke er nok
I et konventionelt optisk mikroskop, Evnen til at skelne små detaljer er begrænset af lysets bølgelængde som bruges. Som en generel regel kan kun strukturer, hvis størrelse er mindst cirka halvdelen af denne bølgelængde, opløses.
Dette indebærer, at der ved brug af standard synligt lys er et punkt, hvor Du kan ikke blive ved med at forbedre opløsningen blot ved at tilføje mere forstørrelse.Vi kan komme tættere på, ja, men detaljerne begynder at sløres, fordi lysets meget bølgelignende natur fungerer som et fysisk loft.
En oplagt måde at gå videre på er at bruge lys med en kortere bølgelængdesåsom violet eller endda ultraviolet (UV). Jo kortere bølgelængden er, desto mindre detaljer kan mikroskopet skelne. Dette har dog en vigtig ulempe: disse stråler bærer mere energi og kan beskadige eller dræbe levende celler og sarte molekyler, noget uacceptabelt inden for cellebiologi, medicin eller i mange højpræcisionseksperimenter.
Forskere har kæmpet med denne balance i årevis: Hvis lysintensiteten reduceres for at undgå at prøven steges, bliver billedet støjende.Den mister kontrast og kritiske detaljer. Hvis intensiteten øges for meget, eller der anvendes meget energisk stråling, lider prøven uoprettelig skade. Det er her, kvantefysikkens ideer kommer i spil.
Traditionel optik kommer til kort, når det gælder om at jonglere med svagt lys, høj følsomhed og ekstrem opløsning. I dette scenarie er brugen af omhyggeligt forberedt kvantelys, såsom par af sammenfiltrede fotonerDet giver os mulighed for at omgå nogle af disse begrænsninger og åbne et helt nyt vindue til mikro- og nanoverdenen.
Mellem den "uhyggelige" handling og det perfekte billede: kvanteforvikling
Et af de mest slående fænomener i moderne fysik er kvantesammenfiltringIfølge kvantemekanikken kan to partikler blive så tæt korrelerede, at den enes tilstand er forbundet med den andens, uanset afstanden mellem dem. Albert Einstein beskrev dette som "uhyggelig handling på afstand", fordi det kolliderede med klassisk intuition og med, hvad hans egen relativitetsteori antydede.
I mikroskopisk sammenhæng oversættes denne sammenfiltring til par af sammenfiltrede fotoner, kendt som bifotonerFra et kvantesynspunkt opfører en bifoton sig næsten som en enkelt sammensat partikel, hvis momentum er omtrent dobbelt så stort som en individuel foton.
Kvantemekanikken minder os om, at Hver partikel har også en bølgelignende karakterI denne sammenhæng er bølgelængden omvendt proportional med momentum: jo større momentum, desto kortere er bølgelængden. Det betyder, at da bifotonen har et større effektivt momentum, dens effektive bølgelængde er cirka halvdelen af de løse fotoner, som den blev genereret med.
Hele dette samspil mellem bølger og partikler er interessant, fordi hvis vi kan få mikroskopet til at fungere, som om det brugte en lys med en bølgelængde svarende til halvdelenVi kan se detaljer dobbelt så små uden rent faktisk at ty til mere energisk eller mere aggressiv stråling for cellerne.
Denne smarte brug af kvantesammenfiltring åbner døren for teknikker, der ved at holde fotoner med bløde energier (for eksempel omkring 400 nanometer bølgelængde i det violette område), De opnår en opløsning, der kan sammenlignes med ultraviolet lys, men med en meget kortere varighed., i størrelsesordenen 200 nanometer, men uden at ødelægge prøven.
Kvante-koincidensmikroskopi (QMC): fordobling af opløsningen uden at stege cellerne
En gruppe forskere fra California Institute of Technology (Caltech) har udviklet en teknik kaldet Kvante-koincidensmikroskopi (QMC)Denne metode, beskrevet i tidsskriftet Nature Communications som "kvantecellemikroskopi ved Heisenberg-grænsen", lover at fordoble den opløsning, der kan opnås med et konventionelt optisk mikroskop.
Den centrale idé bag QMC er at udnytte par af fotoner flettet sammen til at danne bifotonerDisse bifotoner opfører sig som en enkelt enhed med dobbelt så meget momentum og derfor en kortere effektiv bølgelængde. Således kan et system, der bruger 400 nm lys (på grænsen til violet), opnå en opløsning svarende til 200 nm lys (i fuld ultraviolet), samtidig med at den energi, der afsættes på prøven, holdes på et langt mere håndterbart niveau.
Læreren Lihong Wang, professor i medicinsk teknik og elektroteknik ved Caltech og hovedforfatter til dette arbejde, opsummerer det meget grafisk: celler "kommer ikke overens" med ultraviolet lys, men hvis vi belyser med 400 nm og opnår den samme opløsningseffekt som med 200 nm, Cellerne er "glade", og mikroskopet fortsætter med at forbedre detaljerne..
Denne tilgang løser det klassiske dilemma med ét hug: Det er ikke nødvendigt at bruge ekstremt energisk lys for at se meget små strukturer.Ved at manipulere kvantesammenfiltring og den måde, hvorpå matches mellem parrede fotoner måles, gør QMC-systemet det muligt for mikroskopet at få mere ud af hver foton uden at øge potentiel skade på levende prøver.
I modsætning til traditionelle mikroskoper, som kun indfanger detaljer af et objekt, der er sammenlignelig i størrelse med halvdelen af det anvendte lys' bølgelængde, kan QMC Det giver dig mulighed for at se meget mindre strukturer ved at bruge mindre skadeligt lysOg desuden gør det det med en eksperimentel konfiguration, der ifølge dens skabere allerede er et levedygtigt system og ikke blot en engangs laboratoriedemonstration.
Sådan fungerer QMC trin for trin
For at føre denne idé ud i livet byggede Caltech-teamet en optisk enhed, hvor en laser lyser på en speciel krystalDenne krystal er designet til at omdanne en lille del af indfaldende fotoner til sammenfiltrede par, bifotoner. For nuværende er effektiviteten meget lav (i størrelsesordenen én per million fotoner), men forskere arbejder allerede på at forbedre denne hastighed.
Når disse bifotoner er dannet, De adskiller sig ved hjælp af spejle, linser og prismersåledes at de to fotoner, der udgør dem, følger forskellige baner. Den ene passerer gennem den prøve, vi ønsker at observere (den kaldes signalfotonen), og den anden passerer ikke gennem prøven (den inaktive foton er inaktiv).
Begge fotoner fortsætter derefter deres bane gennem systemets optik, indtil de når en detektor, der er forbundet til en computer. Tricket er, at computeren Den tæller ikke blot individuelle fotoner, men snarere sammenfald mellem de to sammenfiltrede fotoner.Baseret på disse oplysninger rekonstrueres billedet af prøven, idet der drages fordel af parrets sammenflettede natur.
Det overraskende er, at på trods af at man tager separate ruter, når man først har passeret gennem cellen eller en anden type objekt, Fotonerne opretholder deres sammenfiltring og opfører sig som en bifoton. mens de detekteres. Systemet udnytter denne kvantekohærens, så helheden opfører sig, som om den havde halvdelen af bølgelængden.
Selvom andre grupper allerede har haft succes med at tage billeder med bifotoner, fastholder Wangs hold, at dette er den første mikroskopisk detaljeret opstilling, der demonstrerer et praktisk og reproducerbart systemDe har udviklet en stringent teori til at beskrive processen, en metode til hurtigt og præcist at måle sammenfiltring, og har demonstreret dens anvendelighed på virkelige biologiske prøver.
Se levende celler mere detaljeret og med mindre skade
Caltech-holdet brugte sit kvantemikroskop til at få billeder af kræftcellerTakket være den forbedrede opløsning var de i stand til tydeligt at identificere forskellige interne strukturer, som et klassisk optisk mikroskop med sammenligneligt lys og dosis ikke kunne opløse.
Det mest slående er, at Cellerne blev ikke beskadiget eller ødelagt under processenfordi den anvendte stråling ikke var særlig energisk. Magien ligger i, hvordan den kvanteinformation, der bæres af bifotonerne, udnyttes, ikke i at "bombardere" cellen med stadig mere aggressive fotoner.
Denne teknik opfattes som et meget lovende fremskridt inden for Medicinsk billeddannelse og biomedicinsk forskningAt være i stand til at studere levende celler, væv eller endda sarte mikroorganismer med et opløsningsniveau tæt på den grænse, som kvantefysikken pålægger (den såkaldte Heisenberg-grænse), uden at ødelægge dem, åbner døren for tidlige diagnoser, bedre overvågning af behandlinger og en bedre forståelse af kritiske biologiske processer.
Fremadrettet overvejer forskere muligheden for bruge mere end to sammenfiltrede fotoner at yderligere forfine opløsningen og optimere teknologien for at reducere baggrundsstøj forbundet med fotoners interaktion med omgivelserne. Hver forbedring ville yderligere øge kvaliteten og nøjagtigheden af de opnåede billeder.
Parallelt hermed lægger denne udvikling grundlaget for anvendelser inden for områder som f.eks. kvanteberegning, kryptografi eller design af nye materialerhvor evnen til at karakterisere strukturer på nanoskala uden at beskadige dem er det pure guld.
Kvantegasmikroskoper: Frysning af atomer og visning af dem et efter et
I mellemtiden er der i Europa gjort fremskridt på en anden supplerende front: kvantemikroskoper af ultrakolde gasser. Et emblematisk eksempel er QUIONE, udviklet af Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) i Castelldefels, som er blevet præsenteret i PRX Quantum magazine.
QUIONE fungerer som en "Kvantesimulator", der køler strontiumatomer ned til temperaturer tæt på det absolutte nulpunktDet organiserer dem i et optisk netværk og gør det muligt at observere dem individuelt, næsten som om de var æg placeret i hullerne i en karton, men på atomar skala.
Traditionelt set har kvantegasmikroskoper været baseret på alkaliatomer såsom lithium eller kaliumsom er optisk enklere at håndtere. At bringe strontium - et jordalkaliatom med et mere komplekst spektrum - ind i kvanteregimet åbner døren for at simulere langt mere eksotiske materialer og faser af stof.
Skemaet er som følger: strontiumgassens temperatur reduceres til ekstremt lave værdier i et par millisekunder, hvilket får atomerne til at sænke farten næsten helt og blive fanget i et optisk neten slags "gitter" af lys genereret af lasere. Hvert sted i gitteret opfører sig som en lille energibrønd, hvor der med høj sandsynlighed vil være et atom.
Takket være denne konfiguration har teamet været i stand til at få atom-for-atom billeder og at studere fænomener som superfluiditet, hvor strontiumgas strømmer uden viskositet. Desuden illustrerer dynamikken i atomerne, som "hopper" fra et sted til et andet i gitteret uden at skulle overvinde klassiske barrierer, direkte den berømte kvantetunneleffekt.
QUIONE som analog kvanteprocessor og nyt materialelaboratorium
QUIONE er ikke bare et mikroskop: det er i bund og grund en analog kvanteprocessorVed at justere formen på det optiske gitter, lasernes intensitet, interaktionerne mellem atomer og andre parametre kan forskere "programmere" systemet til at efterligne opførslen af komplekse, virkelige materialermen i et meget kontrolleret miljø.
Dette giver os mulighed for at besvare vanskelige spørgsmål, for eksempel Hvorfor leder visse materialer strøm uden tab? (superledning) ved relativt høje temperaturer, eller hvordan elektroner er organiseret i topologiske faser, som stadig er dårligt forstået.
Muligheden for at studere strontiumgasser med en sådan præcision ved hjælp af et kvantemikroskop af denne type gør QUIONE et strategisk værktøj til udvikling af fremtidens kvantecomputere og tilhørende teknologier. Strontium er særligt attraktivt til at bygge ultrapræcise atomure og robuste kvanteprocessorer, så det er en sand videnskabelig luksus at have en enhed, der gør det muligt at manipulere og visualisere den i skalaen af et enkelt atom.
Forskere som Leticia Tarruell og hendes team påpeger, at Denne type kvantesimulering vil hjælpe med at opklare ekstremt komplekse mikroskopiske systemer, der giver ledetråde til, hvordan man designer nye materialer med skræddersyede egenskaber, fra forbedrede superledere til topologiske isolatorer.
Således befinder vi os i en familie af kvantemikroskoper, der ikke blot viser verden, men også genskaber den i miniature for bedre at forstå den, noget der indtil for nylig syntes forbeholdt teoretiske modeller.
Kvantelys med meget lav intensitet: det europæiske projekt Q-MIC
Endnu et stærkt bud på Kvantemikroskopi kommer fra det europæiske projekt Q-MICDette projekt, der også i vid udstrækning ledes af ICFO og samarbejdspartnere fra Italien og Tyskland, har været i gang siden 2018 for at udvikle et mikroskop, der er i stand til at bruge kvantelys med meget lav intensitet til at opnå billeder med et bredt synsfelt, høj følsomhed og bedre opløsning end klassiske mikroskoper.
Q-MIC-enheden er unik, fordi den er specielt designet til belys prøven med par af sammenfiltrede fotonerI stedet for konventionelt lys, der består af mange uordnede fotoner, bærer hvert fotonpar en udsøgt korreleret mængde information, hvilket gør det muligt at udtrække flere detaljer med mindre total stråling.
I anvendelser, hvor prøven er ekstremt følsom – for eksempel visse proteiner, vira, molekyler eller levende væv – der har lavintensivt lys, der ikke ødelægger eksperimentet Det er essentielt. Problemet er som altid, at reduktion af intensiteten øger den relative støj i billedet, hvilket normalt slører resultatet.
Q-MIC overvinder denne hindring ved at bruge interferensmønstre genereret af sammenfiltrede fotonerI stedet for blot at registrere, hvor mange fotoner der når hver pixel, registrerer kameraet matchende par af fotoner, der passerer gennem det optiske system, og sampler dem, og disse oplysninger bruges til at rekonstruere billedet ved hjælp af avancerede matematiske algoritmer.
Takket være denne tilgang har forskere vist, at det er muligt reducerer støj og øger målefølsomheden med mere end 25 % sammenlignet med klassiske teknikker, og opretholder lette doser et godt stykke under de normale niveauer.
Interferens, Savart-plader og billedrekonstruktion
Det optiske hjerte i Q-MIC inkluderer et sæt Savart-tallerkenerdobbeltbrydende krystaller, der er i stand til at opdele en lysstråle i to stråler med forskellige polarisationer (horisontal og lodret), der bevæger sig ad lidt forskellige veje, og styrende elementer svarende til dem, der anvendes i fiberoptiske systemer.
Når par af sammenfiltrede fotoner passerer gennem dette system, Savart-pladerne De adskiller deres stier og leder dem mod prøvenHvis prøven er helt flad og homogen, forbliver fotonbanerne næsten identiske. Men hvis der er variationer i tykkelse, brydningsindeks eller andre karakteristika, genereres faseforskelle, som, når strålerne rekombineres, giver anledning til komplekse interferensmønstre.
Mikroskopkameraet måler ikke optiske intensitetsniveauer på den sædvanlige måde, men snarere registrerer fotonankomsttilfældigheder på forskellige punkter i synsfeltet. Ved at gentage processen mange gange akkumuleres et to-foton interferensmønster, der koder information om prøvens finstruktur.
Ved hjælp af rekonstruktionsalgoritmer, baseret på matematiske og signalbehandlingsteknikker, har forskere De omdanner disse mønstre til detaljerede billederuden behov for et punkt-til-punkt-scanningssystem. Dette muliggør dækning af relativt brede synsfelter med høj følsomhed og god opløsning, hvilket er meget nyttigt til analyse af overflader og store prøver.
For at verificere forbedringen tog de en standardprøve af protein A Prøven blev placeret på et objektglas med lige langt fra hinanden beliggende celler. Den blev først belyst med klassisk lys og derefter med kvantelys. Interferensmønstre blev opnået i begge tilfælde, og billederne blev rekonstrueret. Resultatet var tydeligt: med kvantelys var billedet meget glattere, med mindre støj og bedre definerede kanter af strukturerne.
Q-MIC-applikationer: fra fleksible materialer til virus
Resultaterne af Q-MIC, offentliggjort i Science ForskudDe gør det klart, at denne kvantebelysningsstrategi ikke blot er en teoretisk kuriositet. De forventede anvendelser omfatter så forskellige felter som... Materialevidenskab , analyse af transparente overflader til fleksibel elektronik eller inspektion af sarte belægninger.
Derudover deres evne til at arbejde med små lysdoser Dette gør den til en ideel kandidat til at studere ultrafølsomme mikroorganismer, såsom visse vira, og molekyler, der let nedbrydes under intenst lys. Dens anvendelse er også tænkt inden for områder af kvantekryptografi og sikker kommunikationhvor fin kontrol af sammenfiltrede fotoner er nøglen.
Q-MIC-mikroskopet viser, at vi ved korrekt at udnytte sammenfiltring kan forbedre kvaliteten af den information, der udvindes af hver fotonreducerer støj og øger nøjagtigheden uden at det er nødvendigt at øge lysdosis.
Parallelt med Caltechs QMC-lignende teknikker forstærker Q-MIC ideen om, at Den næste store revolution inden for mikroskopi ligger i kvanteoptikikke kun ved at bygge større mål eller kraftigere lasere.
4D kvanteelektronmikroskopi: at se lys fanget i fotoniske krystaller
Kvante-revolutionen inden for billeddannelse er ikke begrænset til synligt lys eller ultrakolde gasser. I Israel har forskere fra Technion – Instituto Tecnológico de Israel De har udviklet en ultrahurtigt 4D elektronmikroskop hvilket muliggør direkte observation af lysstrømmen fanget inde i fotoniske krystaller, noget der indtil nu kun har kunnet studeres gennem computersimuleringer.
Dette system, der først blev beskrevet i tidsskriftet Nature, betragtes som et af de verdens mest avancerede nærfeltsoptiske mikroskoperselvom dens teknologiske kerne er baseret på et ultrahurtigt transmissionselektronmikroskop med unikke muligheder.
Holdet ledet af professor Ido Kaminer har skabt en eksperimentel platform, hvor Ultrakorte lyspulser (i størrelsesordenen mindre end 100 femtosekunder) exciterer prøven Elektronpulser, accelereret til spændinger mellem 40 kV og 200 kV, undersøger prøven for at registrere dens transiente tilstand. Med andre ord bliver prøven "belyst" og "fotograferet" med elektroner med utroligt korte tidsintervaller.
Med denne konfiguration er det muligt kortlægning af interaktionerne mellem lys indesluttet i nanomaterialer (såsom fotoniske krystaller) og frie elektroner, der giver adgang til information om dynamikken i optiske felter med hidtil uset rumlig og tidsmæssig opløsning.
Det praktiske resultat er, at forskere for første gang kan observere direkte, hvordan lys opfører sig, når det fanges og styres i fotoniske strukturerI stedet for udelukkende at skulle udlede det fra modeller og simuleringer, åbner dette op for et nyt felt til design af kvantematerialer og fotoniske enheder med optimerede egenskaber, for eksempel til at lagre kvantebits (qubits) med større stabilitet.
Frie elektronbølgepakker og nye kvantefænomener
Underliggende for dette fremskridt ligger fysikken bag ultrahurtige interaktioner mellem frie elektroner og lysTraditionelt har kvanteelektrodynamik (QED) studeret, hvordan kvantestof – atomer, kvanteprikker, superledende kredsløb osv. – vekselvirker med lystilstande indesluttet i hulrum. Det er det konceptuelle grundlag for mange nuværende kvanteteknologier.
Men i disse systemer elektroner er bundet og deres energitilstande, spektrale område og udvælgelsesregler er meget begrænsede. Nylige fremskridt har fokuseret på en anden enhed: kvantebølgepakker af frie elektronerI modsætning til bundne elektroner kan disse pakker spænde over et bredt energiområde og udforske langt mere varierede interaktioner.
Problemet var, at på trods af flere teoretiske forudsigelser af fascinerende effekter i fotoniske hulrum for frie elektroner, Ingen havde været i stand til endeligt at observere disse fænomenerpå grund af grundlæggende begrænsninger i styrken og varigheden af interaktionen mellem elektroner og indespærret lys.
Technion-mikroskopet overvinder denne hindring og tillader at optage nærfeltsoptiske kort direkte ved hjælp af elektronernes kvante naturEt centralt bevismateriale er observationen af Rabi-type svingninger i det elektroniske spektrum, en adfærd, der ikke kan forklares med rent klassiske teorier.
De mere effektive fotonfri elektroninteraktioner, der udforskes med dette system, kan føre til stærke koblinger, fotonsyntese i specielle kvantetilstande og ikke-lineære fænomener hidtil uset. Alt dette ville gavne både elektronmikroskopi (for eksempel til arbejde med lave doser på følsomme materialer) og andre områder inden for fri elektronfysik.
Derudover vil den opnåede viden bidrage til at Forbedr skarphed og farvekontrast på nuværende skærme, såsom dem, der er baseret på QLED-teknologi (kvantepunkter), og som allerede designer mere ensartede nano-/kvantematerialer, der giver endnu større billedopløsning.
Samlet set tegner summen af disse forskningslinjer – QMC på Caltech, Q-MIC i Europa, QUIONE og Technions 4D-mikroskop – et billede, hvor Mikroskopi bliver en dybtgående kvantedisciplini stand til at vise, kontrollere og endda simulere stof i skalaer, der tidligere kun var en teoretisk drøm.
Hele dette økosystem af nye kvantemikroskoper Dette markerer et vendepunkt: det handler ikke længere blot om at se i mindre skalaer, men om at se anderledes, udnytte fænomener som sammenfiltring, tunnelering, kohærens og interferens fra flere partikler til at udtrække information, der var utænkelig for et par årtier siden. Efterhånden som disse teknologier modnes og bevæger sig ud over laboratoriet, forventes de at transformere medicin, elektronik, materialevidenskab og mere bredt vores forståelse af virkelighedens inderste niveauer.
