Skammtaflækja ljóseinda tvöfaldar upplausn smásjár
Með því að nota „skrýtið“ fyrirbæri skammtaeðlisfræðinnar hafa vísindamenn Caltech uppgötvað leið til að tvöfalda upplausn ljóssmásjáa.
Í grein sem birt var í tímaritinu Nature Communications sýnir teymi undir forystu Lihong Wang, Bren prófessors í læknaverkfræði og rafmagnsverkfræði, framfarir í smásjárskoðun í gegnum svokallaða skammtaflækju. Skammtaflækja er fyrirbæri þar sem tvær agnir eru tengdar þannig að ástand annarrar er í samræmi við ástand hinnar, óháð því hvort agnirnar eru nálægt hvor annarri. Albert Einstein kallaði skammtafræðiflækju „ógnvekjandi aðgerð í fjarlægð“ vegna þess að það væri ekki hægt að útskýra hana með afstæðiskenningu hans.
Samkvæmt skammtafræðinni er hægt að flækja hvaða tegund agna sem er. Í nýrri smásjártækni Wang, sem kallast coincidence quantum microscopy (QMC), eru flækjuagnirnar ljóseindir. Sameiginlega eru tvær flækjuljóseindir kallaðar tveggja ljóseindir og mikilvægara fyrir smásjá Wang, þær hegða sér á vissan hátt sem ein ögn með tvöfalt skriðþunga einni ljóseind.
Þar sem skammtafræðin segir að allar agnir séu líka bylgjur og bylgjulengd bylgju er í öfugu hlutfalli við skriðþunga ögnarinnar, þá hefur ögnin með skriðþunga minni bylgjulengd. Þar af leiðandi, þar sem tveggja ljóseind hefur tvöfalt skriðþunga ljóseindarinnar, hefur hún hálfa bylgjulengd einni ljóseind.
Þetta er lykillinn að því hvernig QMC virkar. Smásjár geta aðeins myndað eiginleika á hlutum þar sem minnstu stærðin er helmingi minni bylgjulengd ljóssins sem smásjáin notar. Að draga úr bylgjulengd þessa ljóss þýðir að smásjáin getur séð smærri hluti og bætir upplausnina.
Skammtaflækja er ekki eina leiðin til að draga úr bylgjulengd ljóss sem notað er í smásjár. Til dæmis hefur grænt ljós styttri bylgjulengd en rautt ljós og fjólublátt ljós hefur styttri bylgjulengd en grænt ljós. En vegna annars sérkennis skammtaeðlisfræðinnar ber ljós með styttri bylgjulengdir meiri orku. Svo þegar þú verður fyrir ljósi með nógu litla bylgjulengd til að mynda smáhluti, ber ljósið svo mikla orku að það getur skemmt hlutinn sem verið er að mynda, sérstaklega lifandi hluti eins og frumur. Þetta er ástæðan fyrir því að útfjólubláir (UV) geislar með mjög stuttum bylgjulengd geta valdið sólbruna.
Þessi takmörkun er sniðgengin með því að nota tvær ljóseindir, sem bera lægri orku ljóseindarinnar með lengri bylgjulengd, en hafa um leið styttri bylgjulengd ljóseindarinnar með meiri orku.
"Frumur líkar ekki við UV ljós," sagði Wang. „Hins vegar, ef við getum myndað frumur með því að nota 400-nanómetra ljós og náð áhrifum 200-nanómetra ljóss, sem er útfjólublátt ljós, eru frumurnar ánægðar og við fáum útfjólubláa upplausn.
Til að ná þessu smíðaði teymi Wang sjóntæki sem lýsir leysiljósi í sérstakan kristal sem breytir hluta ljóseindanna sem fara í gegnum hann í tvær ljóseindir. Jafnvel með þennan tiltekna kristal er þessi rofi afar sjaldgæfur, hann á sér stað af stærðargráðunni ein af hverjum milljón ljóseindum. Með því að nota röð spegla, linsa og prisma er hver tveggja ljóseind - sem í raun samanstendur af tveimur aðskildum ljóseindum - skipt og skutlað eftir tveimur brautum, þannig að önnur pöruðu ljóseindanna fer í gegnum hlutinn sem verið er að mynda en hin ekki. .
Ljóseindir sem fara í gegnum hlutinn eru kallaðar merkjaljóseindir og ljóseindir sem fara ekki í gegnum hlutinn kallast aðgerðalausar ljóseindir. Þessar ljóseindir halda síðan áfram í gegnum fleiri ljóseindir þar til þær ná til skynjara sem er tengdur við tölvu sem byggir mynd af frumunni á grundvelli upplýsinganna sem merkjaljóseindin bera með sér. Það kemur á óvart að þrátt fyrir tilvist hlutarins og aðskildar brautir hans, voru pöruðu ljóseindin áfram flækt sem tvær ljóseindir, sem hegðuðu sér á hálfri bylgjulengd.
Rannsóknarstofan er ekki sú fyrsta til að rannsaka þessa tegund tveggja ljóseinda myndatöku, en það er það fyrsta sem notar hugmyndina til að búa til vinnukerfi. "Við þróuðum það sem við héldum að væri ströng kenning og hraðari, nákvæmari mælingar á flækju. Við náðum smásjárupplausn og frumumyndatöku.
Þó að það séu fræðilega engin takmörk fyrir fjölda ljóseinda sem hægt er að flækja hver við aðra, þá eykur hver ljóseind til viðbótar enn frekar skriðþunga fjöleindarinnar sem myndast en dregur enn frekar úr bylgjulengd hennar.
Framtíðarrannsóknir gætu flækt fleiri ljóseindir, þó að hann bendir á að hver ljóseind til viðbótar dregur enn úr líkum á árangursríkri flækju, sem er nú þegar allt að ein af milljón, eins og nefnt er hér að ofan.
