Η κβαντική τεχνολογία φέρνει επανάσταση στον τρόπο που βλέπουμε τον μικροσκοπικό κόσμο . Αυτό που φαινόταν επιστημονική φαντασία πριν από μερικές δεκαετίες —η παρατήρηση ζωντανών κυττάρων με εξαιρετική λεπτομέρεια χωρίς να τα καταστρέφουμε, η παρακολούθηση της κίνησης του φωτός που παγιδεύεται σε κρυστάλλους ή η φωτογράφιση ατόμων ένα προς ένα— γίνεται ρουτίνα σε κορυφαία εργαστήρια σε όλο τον κόσμο.
Χάρη στα νέα κβαντικά μικροσκόπια που είναι ικανά να ξεπεράσουν τα όρια της κλασικής ανάλυσης , οι επιστήμονες καταρρίπτουν εμπόδια που έχουν ορίσει τα όρια του εφικτού για πάνω από έναν αιώνα. Από την οπτική μικροσκοπία ζωντανών κυττάρων με βάση τα πεπλεγμένα φωτόνια μέχρι τους κβαντικούς προσομοιωτές υπερψυχρών αερίων και τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια 4D, ο κοινός στόχος είναι σαφής: να εξαχθούν πολύ περισσότερες πληροφορίες με λιγότερο φως ή χαμηλότερες δόσεις ακτινοβολίας και να δουν δομές που προηγουμένως ήταν κυριολεκτικά αόρατες.
Το κλασικό όριο ανάλυσης και γιατί το κανονικό φως δεν είναι αρκετό
Σε ένα συμβατικό οπτικό μικροσκόπιο, η ικανότητα διάκρισης μικροσκοπικών λεπτομερειών περιορίζεται από το μήκος κύματος του χρησιμοποιούμενου φωτός. Κατά γενικό κανόνα, μπορούν να διακριθούν μόνο δομές των οποίων το μέγεθος είναι τουλάχιστον περίπου το μισό αυτού του μήκους κύματος.
Αυτό σημαίνει ότι, χρησιμοποιώντας το τυπικό ορατό φως, υπάρχει ένα σημείο στο οποίο δεν μπορείτε να βελτιώσετε την ανάλυση απλώς προσθέτοντας περισσότερη μεγέθυνση . Μπορείτε να πλησιάσετε, ναι, αλλά οι λεπτομέρειες αρχίζουν να θολώνουν επειδή η κυματοειδής φύση του ίδιου του φωτός λειτουργεί ως φυσικό ανώτατο όριο.
Ένας προφανής τρόπος για να προχωρήσουμε περισσότερο είναι η χρήση φωτός με μικρότερα μήκη κύματος , όπως το ιώδες ή ακόμα και το υπεριώδες (UV). Όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος, τόσο μικρότερες λεπτομέρειες μπορεί να διακρίνει το μικροσκόπιο. Ωστόσο, αυτό συνοδεύεται από ένα σημαντικό μειονέκτημα: αυτές οι ακτινοβολίες μεταφέρουν περισσότερη ενέργεια και μπορούν να βλάψουν ή να σκοτώσουν ζωντανά κύτταρα και ευαίσθητα μόρια , κάτι που είναι απαράδεκτο στην κυτταρική βιολογία, την ιατρική ή πολλά πειράματα υψηλής ακρίβειας.
Οι ερευνητές παλεύουν με αυτήν την ισορροπία εδώ και χρόνια: εάν η ένταση του φωτός μειωθεί για να αποφευχθεί το τηγάνισμα του δείγματος, η εικόνα γίνεται θορυβώδης , χάνει την αντίθεση και χάνονται κρίσιμες λεπτομέρειες. Εάν η ένταση αυξηθεί υπερβολικά ή χρησιμοποιηθεί πολύ ενεργητική ακτινοβολία, το δείγμα υφίσταται μη αναστρέψιμη βλάβη. Εδώ είναι που έρχονται στο προσκήνιο οι ιδέες της κβαντικής φυσικής.
Η κλασική οπτική αποτυγχάνει όταν προσπαθούμε να συνδυάσουμε το χαμηλό φως, την υψηλή ευαισθησία και την ακραία ανάλυση. Σε αυτό το σενάριο, η χρήση προσεκτικά προετοιμασμένου κβαντικού φωτός, όπως τα πεπλεγμένα ζεύγη φωτονίων , μας επιτρέπει να παρακάμψουμε ορισμένους από αυτούς τους περιορισμούς και να ανοίξουμε ένα εντελώς νέο παράθυρο στον μικρο- και νανο-κόσμο.
Ανάμεσα στην «ανατριχιαστική» δράση και την τέλεια εικόνα: η κβαντική εμπλοκή
Ένα από τα πιο εντυπωσιακά φαινόμενα στη σύγχρονη φυσική είναι η κβαντική διεμπλοκή . Σύμφωνα με την κβαντική μηχανική, δύο σωματίδια μπορούν να συσχετιστούν τόσο στενά ώστε η κατάσταση του ενός να συνδέεται με αυτήν του άλλου, ανεξάρτητα από την απόσταση μεταξύ τους. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν το περιέγραψε αυτό ως «τρομακτική δράση από απόσταση» επειδή έρχεται σε αντίθεση με την κλασική διαίσθηση και με όσα πρότεινε η δική του θεωρία της σχετικότητας.
Στο πλαίσιο της μικροσκοπίας, αυτή η εμπλοκή έχει ως αποτέλεσμα ζεύγη εμπλεκόμενων φωτονίων, γνωστά ως διφωτόνια . Από κβαντική άποψη, ένα διφωτόνιο συμπεριφέρεται σχεδόν σαν ένα ενιαίο σύνθετο σωματίδιο του οποίου η ορμή είναι περίπου διπλάσια από αυτήν ενός μεμονωμένου φωτονίου.
Η κβαντομηχανική μας υπενθυμίζει ότι κάθε σωματίδιο έχει και κυματοειδή φύση . Σε αυτό το πλαίσιο, το μήκος κύματος είναι αντιστρόφως ανάλογο με την ορμή: όσο μεγαλύτερη είναι η ορμή, τόσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος. Αυτό σημαίνει ότι, επειδή το δίφωτονιο έχει μεγαλύτερη ενεργό ορμή, το ενεργό μήκος κύματός του είναι περίπου το μισό από αυτό των μεμονωμένων φωτονίων από τα οποία δημιουργήθηκε.
Όλη αυτή η αλληλεπίδραση κυμάτων και σωματιδίων είναι ενδιαφέρουσα επειδή, αν μπορέσουμε να κάνουμε το μικροσκόπιο να λειτουργεί σαν να χρησιμοποιεί φως με μήκος κύματος ισοδύναμο με το μισό , μπορούμε να δούμε λεπτομέρειες δύο φορές μικρότερες χωρίς να καταφύγουμε στην πραγματικότητα σε πιο ενεργητική ή πιο επιθετική ακτινοβολία για τα κύτταρα.
Αυτή η έξυπνη χρήση της κβαντικής διεμπλοκής ανοίγει την πόρτα σε τεχνικές που, διατηρώντας τα φωτόνια με ήπιες ενέργειες (για παράδειγμα, μήκος κύματος περίπου 400 νανόμετρα στην ιώδη περιοχή), επιτυγχάνουν μια ανάλυση συγκρίσιμη με αυτή του πολύ μικρότερου υπεριώδους φωτός , της τάξης των 200 νανομέτρων, αλλά χωρίς να καταστρέφουν το δείγμα.
Κβαντική μικροσκοπία σύμπτωσης (QMC): διπλασιασμός της ανάλυσης χωρίς τηγάνισμα των κυττάρων
Μια ομάδα ερευνητών στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech) ανέπτυξε μια τεχνική που ονομάζεται Κβαντική Μικροσκοπία Συμπτώσεων (QMC) . Αυτή η μέθοδος, που περιγράφεται στο περιοδικό Nature Communications ως «μικροσκοπία κβαντικών κυττάρων στο όριο Heisenberg», υπόσχεται να διπλασιάσει την ανάλυση που επιτυγχάνεται με ένα συμβατικό οπτικό μικροσκόπιο.
Η κεντρική ιδέα της QMC είναι η αξιοποίηση ζευγών πεπλεγμένων φωτονίων για να σχηματίσουν διφωτόνια . Αυτά τα διφωτόνια συμπεριφέρονται ως μία ενιαία οντότητα με διπλάσια ορμή και, επομένως, μικρότερο αποτελεσματικό μήκος κύματος. Έτσι, ένα σύστημα που χρησιμοποιεί φως 400 nm (στην άκρη του ιώδους φάσματος) μπορεί να επιτύχει ανάλυση παρόμοια με αυτή του φωτός 200 nm (στην πλήρη υπεριώδη περιοχή), διατηρώντας παράλληλα την ενέργεια που εναποτίθεται στο δείγμα σε πολύ πιο διαχειρίσιμο επίπεδο.
Ο καθηγητής Lihong Wang , πρόεδρος της Ιατρικής Μηχανικής και της Ηλεκτρολογίας στο Caltech και κύριος συγγραφέας αυτής της εργασίας, το συνοψίζει πολύ παραστατικά: τα κύτταρα «δεν τα πάνε καλά» με το υπεριώδες φως, αλλά αν φωτίσουμε με 400 nm και επιτύχουμε το ίδιο αποτέλεσμα ανάλυσης όπως με τα 200 nm, τα κύτταρα «είναι ευχαριστημένα» και το μικροσκόπιο συνεχίζει να βελτιώνει τις λεπτομέρειες.
Αυτή η προσέγγιση λύνει το κλασικό δίλημμα μονομιάς: δεν είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί εξαιρετικά ενεργητικό φως για να παρατηρηθούν πολύ μικρές δομές . Χειριζόμενοι την κβαντική διεμπλοκή και τον τρόπο με τον οποίο μετρώνται οι αντιστοιχίες μεταξύ ζευγαρωμένων φωτονίων, το σύστημα QMC επιτρέπει στο μικροσκόπιο να αξιοποιήσει στο έπακρο κάθε φωτόνιο χωρίς να αυξήσει την πιθανή ζημιά σε ζωντανά δείγματα.
Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά μικροσκόπια, τα οποία καταγράφουν μόνο λεπτομέρειες ενός αντικειμένου συγκρίσιμου σε μέγεθος με το μισό μήκος κύματος του χρησιμοποιούμενου φωτός, το QMC μπορεί να δει πολύ μικρότερες δομές χρησιμοποιώντας λιγότερο επιβλαβές φως . Επιπλέον, το κάνει αυτό με μια πειραματική διάταξη που, σύμφωνα με τους δημιουργούς της, είναι ήδη ένα βιώσιμο σύστημα και όχι απλώς μια μεμονωμένη εργαστηριακή επίδειξη.
Πώς λειτουργεί το QMC βήμα προς βήμα
Για να υλοποιήσει αυτή την ιδέα, η ομάδα του Caltech κατασκεύασε μια οπτική συσκευή στην οποία μια δέσμη λέιζερ προσπίπτει σε έναν ειδικό κρύσταλλο . Αυτός ο κρύσταλλος έχει σχεδιαστεί για να μετατρέπει ένα μικρό κλάσμα των προσπίπτοντων φωτονίων σε πεπλεγμένα ζεύγη, που ονομάζονται διφωτόνια. Προς το παρόν, η απόδοση είναι πολύ χαμηλή (της τάξης του ενός ανά εκατομμύριο φωτόνια), αλλά οι ερευνητές εργάζονται ήδη για να βελτιώσουν αυτόν τον ρυθμό.
Μόλις δημιουργηθούν, αυτά τα διφωτόνια διαχωρίζονται χρησιμοποιώντας καθρέφτες, φακούς και πρίσματα , έτσι ώστε τα δύο φωτόνια που τα αποτελούν να ακολουθούν διαφορετικές διαδρομές. Το ένα από αυτά διέρχεται από το δείγμα που θέλουμε να παρατηρήσουμε (αυτό ονομάζεται φωτόνιο σήματος) και το άλλο δεν διέρχεται από το δείγμα (αυτό είναι το αδρανές ή ανενεργό φωτόνιο).
Και τα δύο φωτόνια συνεχίζουν στη συνέχεια την πορεία τους μέσα από τα οπτικά του συστήματος μέχρι να φτάσουν σε έναν ανιχνευτή συνδεδεμένο με έναν υπολογιστή. Το κόλπο είναι ότι ο υπολογιστής δεν μετρά μόνο μεμονωμένα φωτόνια, αλλά μάλλον συμπτώσεις μεταξύ των δύο εμπλεκόμενων φωτονίων . Από αυτές τις πληροφορίες, η εικόνα του δείγματος ανακατασκευάζεται, εκμεταλλευόμενοι την εμπλεκόμενη φύση του ζεύγους.
Αυτό που προκαλεί έκπληξη είναι ότι, παρά το γεγονός ότι ακολουθούν ξεχωριστές διαδρομές αφού περάσουν μέσα από ένα κύτταρο ή άλλο αντικείμενο, τα φωτόνια διατηρούν την εμπλοκή τους και συμπεριφέρονται ως διφωτόνια κατά την ανίχνευση. Το σύστημα εκμεταλλεύεται αυτή την κβαντική συνοχή, έτσι ώστε το σύνολο να συμπεριφέρεται σαν να είχε το μισό μήκος κύματος.
Παρόλο που άλλες ομάδες είχαν ήδη καταφέρει να αποκτήσουν εικόνες διφωτονίων, η ομάδα του Wang υποστηρίζει ότι αυτό είναι το πρώτο μικροσκοπικά διακριτό σύνθετο υλικό που καταδεικνύει ένα πρακτικό και αναπαραγώγιμο σύστημα . Έχουν αναπτύξει μια αυστηρή θεωρία για να περιγράψουν τη διαδικασία, μια γρήγορη και ακριβή μέθοδο για τη μέτρηση της εμπλοκής και έχουν αποδείξει τη χρησιμότητά της σε πραγματικά βιολογικά δείγματα.
Δείτε τα ζωντανά κύτταρα με περισσότερες λεπτομέρειες και με λιγότερες ζημιές
Η ομάδα του Caltech χρησιμοποίησε το κβαντικό μικροσκόπιο για να απεικονίσει καρκινικά κύτταρα . Χάρη στη βελτιωμένη ανάλυση, μπόρεσαν να εντοπίσουν με σαφήνεια διάφορες εσωτερικές δομές που ένα κλασικό οπτικό μικροσκόπιο, με συγκρίσιμο φως και ακτινοβολία, δεν μπορούσε να διακρίνει.
Το πιο εντυπωσιακό είναι ότι τα κύτταρα ούτε υπέστησαν ζημιές ούτε καταστράφηκαν κατά τη διάρκεια της διαδικασίας , επειδή η ακτινοβολία που χρησιμοποιήθηκε δεν ήταν ιδιαίτερα ενεργητική. Η μαγεία έγκειται στον τρόπο με τον οποίο αξιοποιούνται οι κβαντικές πληροφορίες που μεταφέρονται από τα διφωτόνια, όχι στον «βομβαρδισμό» του κυττάρου με ολοένα και πιο επιθετικά φωτόνια.
Αυτή η τεχνική θεωρείται μια πολύ πολλά υποσχόμενη πρόοδος στην ιατρική απεικόνιση και τη βιοϊατρική έρευνα . Η δυνατότητα μελέτης ζωντανών κυττάρων, ιστών ή ακόμη και ευαίσθητων μικροοργανισμών με επίπεδο ανάλυσης που προσεγγίζει το όριο που επιβάλλει η κβαντική φυσική (το λεγόμενο όριο Heisenberg) χωρίς να τους καταστρέφει ανοίγει την πόρτα σε έγκαιρες διαγνώσεις, καλύτερη παρακολούθηση της θεραπείας και μια πιο εκλεπτυσμένη κατανόηση κρίσιμων βιολογικών διεργασιών.
Κοιτώντας μπροστά, οι ερευνητές εξετάζουν το ενδεχόμενο χρήσης περισσότερων από δύο πεπλεγμένων φωτονίων για την περαιτέρω βελτίωση της ανάλυσης και τη βελτιστοποίηση της τεχνολογίας για τη μείωση του θορύβου υποβάθρου που σχετίζεται με την αλληλεπίδραση των φωτονίων με το περιβάλλον. Κάθε βελτίωση θα αύξανε περαιτέρω την ποιότητα και την ακρίβεια των εικόνων που προκύπτουν.
Παράλληλα, αυτή η εξέλιξη θέτει τις βάσεις για εφαρμογές σε τομείς όπως η κβαντική υπολογιστική, η κρυπτογραφία και ο σχεδιασμός νέων υλικών , όπου η ικανότητα χαρακτηρισμού δομών σε νανοκλίμακα χωρίς να τις καταστρέφει είναι ανεκτίμητη.
Κβαντικά μικροσκόπια αερίων: κατάψυξη ατόμων και παρατήρησή τους ένα προς ένα
Εν τω μεταξύ, στην Ευρώπη, έχει σημειωθεί πρόοδος σε ένα άλλο συμπληρωματικό μέτωπο: τα κβαντικά μικροσκόπια υπερψυχρού αερίου . Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το QUONE, που αναπτύχθηκε από το Ινστιτούτο Φωτονικών Επιστημών (ICFO) στο Castelldefels και παρουσιάστηκε στο περιοδικό PRX Quantum.
Το QUIONE λειτουργεί ως «κβαντικός προσομοιωτής» που ψύχει άτομα στροντίου σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν , τα τοποθετεί σε ένα οπτικό πλέγμα και τους επιτρέπει να παρατηρούνται μεμονωμένα, σχεδόν σαν να ήταν αυγά τοποθετημένα στις τρύπες ενός χαρτοκιβωτίου, αλλά σε ατομική κλίμακα.
Παραδοσιακά, τα κβαντικά μικροσκόπια αερίων βασίζονταν σε αλκαλικά μέταλλα όπως το λίθιο ή το κάλιο , τα οποία είναι οπτικά πιο εύκολα στον χειρισμό. Η εισαγωγή του στροντίου - ενός αλκαλικού μετάλλου με πιο σύνθετο φάσμα - στον κβαντικό κόσμο ανοίγει την πόρτα για την προσομοίωση πολύ πιο εξωτικών υλικών και φάσεων της ύλης.
Η διαδικασία λειτουργεί ως εξής: η θερμοκρασία του αερίου στροντίου μειώνεται σε εξαιρετικά χαμηλά επίπεδα για λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου, με αποτέλεσμα τα άτομα να επιβραδύνονται σχεδόν πλήρως και να παγιδεύονται σε ένα οπτικό πλέγμα , ένα είδος φωτεινού πλέγματος που παράγεται από λέιζερ. Κάθε σημείο στο πλέγμα λειτουργεί ως ένα μικροσκοπικό ενεργειακό πηγάδι όπου, με μεγάλη πιθανότητα, θα βρίσκεται ένα άτομο.
Χάρη σε αυτή τη ρύθμιση, η ομάδα μπόρεσε να αποκτήσει εικόνες άτομο προς άτομο και να μελετήσει φαινόμενα όπως η υπερρευστότητα, στην οποία το αέριο στρόντιο ρέει χωρίς ιξώδες. Επιπλέον, η δυναμική των ατόμων, τα οποία «πηδούν» από τη μία θέση στην άλλη στο πλέγμα χωρίς να χρειάζεται να ξεπεράσουν τα κλασικά εμπόδια, καταδεικνύει άμεσα το γνωστό φαινόμενο κβαντικής σήραγγας.
Η QUIONE ως αναλογικός κβαντικός επεξεργαστής και εργαστήριο νέων υλικών
Το QUONE δεν είναι απλώς ένα μικροσκόπιο: είναι, στην ουσία, ένας αναλογικός κβαντικός επεξεργαστής . Ρυθμίζοντας το σχήμα του οπτικού πλέγματος, την ένταση των λέιζερ, τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων και άλλες παραμέτρους, οι ερευνητές μπορούν να «προγραμματίσουν» το σύστημα ώστε να μιμείται τη συμπεριφορά σύνθετων υλικών του πραγματικού κόσμου , αλλά σε ένα εξαιρετικά ελεγχόμενο περιβάλλον.
Αυτό μας επιτρέπει να απαντήσουμε σε δύσκολα ερωτήματα, για παράδειγμα, γιατί ορισμένα υλικά άγουν τον ηλεκτρισμό χωρίς απώλειες (υπεραγωγιμότητα) σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες ή πώς τα ηλεκτρόνια οργανώνονται σε τοπολογικές φάσεις που εξακολουθούν να είναι ελάχιστα κατανοητές.
Η δυνατότητα μελέτης αερίων στροντίου με τέτοια ακρίβεια, χρησιμοποιώντας ένα κβαντικό μικροσκόπιο αυτού του τύπου, καθιστά την QUIONE ένα στρατηγικό εργαλείο για την ανάπτυξη μελλοντικών κβαντικών υπολογιστών και συναφών τεχνολογιών. Το στρόντιο είναι ιδιαίτερα ελκυστικό για την κατασκευή εξαιρετικά ακριβών ατομικών ρολογιών και ισχυρών κβαντικών επεξεργαστών, επομένως η κατοχή μιας συσκευής που μας επιτρέπει να το χειριζόμαστε και να το απεικονίζουμε στην κλίμακα ενός μόνο ατόμου αποτελεί πραγματική επιστημονική πολυτέλεια.
Ερευνητές όπως η Leticia Tarruell και η ομάδα της τονίζουν ότι αυτός ο τύπος κβαντικής προσομοίωσης θα βοηθήσει στην αποκάλυψη εξαιρετικά πολύπλοκων μικροσκοπικών συστημάτων , προσφέροντας ενδείξεις για το πώς να σχεδιάζονται νέα υλικά με προσαρμοσμένες ιδιότητες, από βελτιωμένους υπεραγωγούς έως τοπολογικούς μονωτές.
Έτσι, βρισκόμαστε μπροστά σε μια οικογένεια κβαντικών μικροσκοπίων που όχι μόνο δείχνουν τον κόσμο, αλλά τον αναδημιουργούν σε μικρογραφία για να τον κατανοήσουν καλύτερα, κάτι που μέχρι πολύ πρόσφατα φαινόταν να προορίζεται για θεωρητικά μοντέλα.
Κβαντικό φως πολύ χαμηλής έντασης: το ευρωπαϊκό έργο Q-MIC
Μια άλλη ισχυρή δέσμευση στην κβαντική μικροσκοπία προέρχεται από το ευρωπαϊκό έργο Q-MIC , το οποίο επίσης διευθύνεται σε μεγάλο βαθμό από το ICFO και συνεργάτες από την Ιταλία και τη Γερμανία. Από το 2018, αυτή η κοινοπραξία εργάζεται για την ανάπτυξη ενός μικροσκοπίου ικανού να χρησιμοποιεί κβαντικό φως πολύ χαμηλής έντασης για τη λήψη εικόνων με ευρύ οπτικό πεδίο, υψηλή ευαισθησία και καλύτερη ανάλυση από τα κλασικά μικροσκόπια.
Η συσκευή Q-MIC είναι μοναδική επειδή έχει σχεδιαστεί ειδικά για να φωτίζει το δείγμα με ζεύγη πεπλεγμένων φωτονίων , αντί για συμβατικό φως που αποτελείται από πολλά άτακτα φωτόνια. Με αυτόν τον τρόπο, κάθε ζεύγος φωτονίων φέρει μια ακριβώς συσχετισμένη ποσότητα πληροφοριών, επιτρέποντας την εξαγωγή μεγαλύτερων λεπτομερειών με λιγότερη συνολική ακτινοβολία.
Σε εφαρμογές όπου το δείγμα είναι εξαιρετικά ευαίσθητο — για παράδειγμα, ορισμένες πρωτεΐνες, ιοί, μόρια ή ζωντανοί ιστοί — η πρόσβαση σε φως χαμηλής έντασης που δεν καταστρέφει το πείραμα είναι απαραίτητη. Το πρόβλημα, όπως πάντα, είναι ότι η μείωση της έντασης αυξάνει τον σχετικό θόρυβο στην εικόνα, ο οποίος συχνά θολώνει το αποτέλεσμα.
Το Q-MIC ξεπερνά αυτό το εμπόδιο χρησιμοποιώντας μοτίβα παρεμβολής που δημιουργούνται από πεπλεγμένα φωτόνια . Αντί να καταγράφει απλώς πόσα φωτόνια φτάνουν σε κάθε εικονοστοιχείο, η κάμερα ανιχνεύει αντίστοιχα ζεύγη φωτονίων που διέρχονται από το οπτικό σύστημα και τα δειγματοληπτεί, και αυτές οι πληροφορίες χρησιμοποιούνται για την ανακατασκευή της εικόνας χρησιμοποιώντας προηγμένους μαθηματικούς αλγόριθμους.
Χάρη σε αυτήν την προσέγγιση, οι ερευνητές έχουν δείξει ότι είναι δυνατό να μειωθεί ο θόρυβος και να αυξηθεί η ευαισθησία των μετρήσεων κατά περισσότερο από 25% σε σύγκριση με τις κλασικές τεχνικές , διατηρώντας παράλληλα τις δόσεις φωτός πολύ κάτω από τα συνήθη επίπεδα.
Συμβολή, πλάκες Savart και ανακατασκευή εικόνας
Η οπτική καρδιά του Q-MIC περιλαμβάνει ένα σύνολο πλακών Savart , διπλοθλαστικούς κρυστάλλους ικανούς να διασπάσουν μια δέσμη φωτός σε δύο δέσμες με διαφορετικές πολώσεις (οριζόντια και κάθετη) που διανύουν ελαφρώς διαφορετικές διαδρομές, και στοιχεία καθοδήγησης παρόμοια με αυτά που χρησιμοποιούνται στα συστήματα οπτικών ινών.
Όταν ζεύγη πεπλεγμένων φωτονίων διέρχονται από αυτό το σύστημα, οι πλάκες Savart διαχωρίζουν τις διαδρομές τους και τις κατευθύνουν προς το δείγμα . Εάν το δείγμα είναι απόλυτα επίπεδο και ομοιογενές, οι διαδρομές των φωτονίων παραμένουν σχεδόν πανομοιότυπες. Αλλά εάν υπάρχουν διακυμάνσεις στο πάχος, τον δείκτη διάθλασης ή άλλα χαρακτηριστικά, δημιουργούνται διαφορές φάσης οι οποίες, όταν οι δέσμες ανασυνδυάζονται, δημιουργούν πολύπλοκα μοτίβα συμβολής.
Η κάμερα του μικροσκοπίου δεν μετρά τα επίπεδα οπτικής έντασης με τη συμβατική έννοια, αλλά καταγράφει τις συμπτώσεις των αφίξεων φωτονίων σε διαφορετικά σημεία του οπτικού πεδίου. Επαναλαμβάνοντας αυτή τη διαδικασία πολλές φορές, συσσωρεύεται ένα μοτίβο συμβολής δύο φωτονίων, το οποίο κωδικοποιεί πληροφορίες σχετικά με τη λεπτή δομή του δείγματος.
Με τη βοήθεια αλγορίθμων ανακατασκευής, βασισμένων σε μαθηματικές τεχνικές και τεχνικές επεξεργασίας σήματος, οι επιστήμονες μετατρέπουν αυτά τα μοτίβα σε λεπτομερείς εικόνες χωρίς να χρειάζονται σύστημα σάρωσης σημείο προς σημείο. Αυτό τους επιτρέπει να καλύπτουν σχετικά ευρύ οπτικό πεδίο με υψηλή ευαισθησία και καλή ανάλυση, κάτι που είναι πολύ χρήσιμο για την ανάλυση επιφανειών και εκτεταμένων δειγμάτων.
Για να επαληθεύσουν τη βελτίωση, πήραν ένα τυπικό δείγμα πρωτεΐνης Α που είχε εναποτεθεί σε μια γυάλινη αντικειμενοφόρο πλάκα με κύτταρα σε ίση απόσταση. Την φώτισαν πρώτα με κλασικό φως και στη συνέχεια με κβαντικό φως, έλαβαν τα μοτίβα συμβολής και στις δύο περιπτώσεις και ανακατασκεύασαν τις εικόνες. Το αποτέλεσμα ήταν σαφές: με το κβαντικό φως, η εικόνα ήταν πολύ πιο ομαλή, με λιγότερο θόρυβο και καλύτερα καθορισμένες άκρες των δομών.
Εφαρμογές Q-MIC: από εύκαμπτα υλικά έως ιούς
Τα αποτελέσματα από το Q-MIC, που δημοσιεύθηκαν στο Science Advances , καθιστούν σαφές ότι αυτή η στρατηγική κβαντικού φωτισμού δεν είναι απλώς μια θεωρητική περιέργεια. Οι προβλεπόμενες εφαρμογές περιλαμβάνουν τομείς τόσο διαφορετικούς όσο η επιστήμη των υλικών, η ανάλυση διαφανών επιφανειών για εύκαμπτα ηλεκτρονικά και η επιθεώρηση ευαίσθητων επιστρώσεων.
Επιπλέον, η ικανότητά του να λειτουργεί με ελάχιστες δόσεις φωτός το καθιστά ιδανικό υποψήφιο για τη μελέτη υπερευαίσθητων μικροοργανισμών, όπως ορισμένοι ιοί, και μορίων που αποικοδομούνται εύκολα υπό έντονο φωτισμό. Οι εφαρμογές του προβλέπονται επίσης σε τομείς όπως η κβαντική κρυπτογραφία και οι ασφαλείς επικοινωνίες , όπου ο λεπτός έλεγχος των εμπλεκόμενων φωτονίων είναι κρίσιμος.
Το μικροσκόπιο Q-MIC καταδεικνύει ότι, αξιοποιώντας σωστά τη διεμπλοκή, μπορούμε να βελτιώσουμε την ποιότητα των πληροφοριών που εξάγονται από κάθε φωτόνιο , μειώνοντας τον θόρυβο και αυξάνοντας την ακρίβεια χωρίς να χρειάζεται να αυξήσουμε τη δόση φωτός.
Παράλληλα με τις τεχνικές τύπου QMC του Caltech, το Q-MIC ενισχύει την ιδέα ότι η επόμενη μεγάλη επανάσταση στη μικροσκοπία έγκειται στην κβαντική οπτική , όχι μόνο στην κατασκευή μεγαλύτερων φακών ή πιο ισχυρών λέιζερ.
4D κβαντική ηλεκτρονική μικροσκοπία: βλέποντας φως παγιδευμένο σε φωτονικούς κρυστάλλους
Η κβαντική επανάσταση στην απεικόνιση δεν περιορίζεται στο ορατό φως ή στα υπερψυχρά αέρια. Στο Ισραήλ, ερευνητές στο Technion - Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Ισραήλ - ανέπτυξαν ένα υπερταχύ ηλεκτρονικό μικροσκόπιο 4D που επιτρέπει την άμεση παρατήρηση της ροής φωτός που παγιδεύεται μέσα σε φωτονικούς κρυστάλλους, κάτι που μέχρι τώρα μπορούσε να μελετηθεί μόνο μέσω προσομοιώσεων σε υπολογιστή.
Αυτό το σύστημα, που περιγράφηκε για πρώτη φορά στο περιοδικό Nature, θεωρείται ένα από τα πιο προηγμένα οπτικά μικροσκόπια κοντινού πεδίου στον κόσμο , αν και ο τεχνολογικός του πυρήνας βασίζεται σε ένα εξαιρετικά γρήγορο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διέλευσης με μοναδικές δυνατότητες.
Η ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Ido Kaminer δημιούργησε μια πειραματική πλατφόρμα όπου εξαιρετικά σύντομοι φωτεινοί παλμοί (της τάξης των λιγότερο από 100 femtoseconds) διεγείρουν το δείγμα και ηλεκτρονικοί παλμοί, επιταχυνόμενοι σε τάσεις μεταξύ 40 kV και 200 kV, το διερευνούν για να καταγράψουν την μεταβατική του κατάσταση. Με άλλα λόγια, το δείγμα «φωτίζεται» και «φωτογραφείται» με ηλεκτρόνια σε απίστευτα σύντομα χρονικά διαστήματα.
Με αυτήν τη διαμόρφωση, είναι δυνατό να χαρτογραφηθούν οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ του φωτός που περιορίζεται σε νανοϋλικά (όπως φωτονικοί κρύσταλλοι) και των ελεύθερων ηλεκτρονίων , αποκτώντας πρόσβαση σε πληροφορίες σχετικά με τη δυναμική των οπτικών πεδίων με πρωτοφανή χωρική και χρονική ανάλυση.
Το πρακτικό αποτέλεσμα είναι ότι, για πρώτη φορά, οι επιστήμονες μπορούν να παρατηρήσουν άμεσα πώς συμπεριφέρεται το φως όταν παγιδεύεται και καθοδηγείται μέσα σε φωτονικές δομές , αντί να χρειάζεται να το συμπεραίνουν αποκλειστικά από μοντέλα και προσομοιώσεις. Αυτό ανοίγει ένα νέο πεδίο για το σχεδιασμό κβαντικών υλικών και φωτονικών συσκευών με βελτιστοποιημένες ιδιότητες, για παράδειγμα, για την αποθήκευση κβαντικών bits (qubits) με μεγαλύτερη σταθερότητα.
Ελεύθερα πακέτα ηλεκτρονίων και νέα κβαντικά φαινόμενα
Πίσω από αυτή την ανακάλυψη βρίσκεται η φυσική των υπερταχέων αλληλεπιδράσεων μεταξύ ελεύθερων ηλεκτρονίων και φωτός . Παραδοσιακά, η κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED) έχει μελετήσει πώς η κβαντική ύλη - άτομα, κβαντικές κουκκίδες, υπεραγώγιμα κυκλώματα κ.λπ. - αλληλεπιδρά με φωτεινές καταστάσεις που περιορίζονται σε κοιλότητες. Αποτελεί τη βάση για πολλές τρέχουσες κβαντικές τεχνολογίες.
Ωστόσο, σε αυτά τα συστήματα, τα ηλεκτρόνια είναι δεσμευμένα και οι ενεργειακές τους καταστάσεις, το φασματικό εύρος και οι κανόνες επιλογής τους είναι εξαιρετικά περιορισμένοι. Οι πρόσφατες εξελίξεις έχουν εστιάσει την προσοχή σε μια άλλη οντότητα: τα κβαντικά πακέτα κυμάτων ελεύθερων ηλεκτρονίων . Σε αντίθεση με τα δεσμευμένα ηλεκτρόνια, αυτά τα πακέτα μπορούν να καλύψουν ένα ευρύ ενεργειακό εύρος και να εξερευνήσουν ένα πολύ πιο ποικίλο εύρος αλληλεπιδράσεων.
Το πρόβλημα ήταν ότι, παρά τις πολλαπλές θεωρητικές προβλέψεις για συναρπαστικά φαινόμενα σε φωτονικές κοιλότητες για ελεύθερα ηλεκτρόνια, κανείς δεν είχε καταφέρει να παρατηρήσει οριστικά αυτά τα φαινόμενα , λόγω θεμελιωδών περιορισμών στην ισχύ και τη διάρκεια της αλληλεπίδρασης μεταξύ ηλεκτρονίων και περιορισμένου φωτός.
Το μικροσκόπιο Technion ξεπερνά αυτό το εμπόδιο, επιτρέποντας την καταγραφή οπτικών χαρτών κοντινού πεδίου χρησιμοποιώντας άμεσα την κβαντική φύση των ηλεκτρονίων . Μια βασική δοκιμή είναι η παρατήρηση ταλαντώσεων τύπου Rabi στο ηλεκτρονικό φάσμα, μια συμπεριφορά που δεν μπορεί να εξηγηθεί με καθαρά κλασικές θεωρίες.
Οι πιο αποτελεσματικές αλληλεπιδράσεις ελεύθερων ηλεκτρονίων που διερευνώνται με αυτό το σύστημα θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ισχυρές συζεύξεις, σύνθεση φωτονίων σε ειδικές κβαντικές καταστάσεις και νέα μη γραμμικά φαινόμενα. Όλα αυτά θα ωφελούσαν τόσο την ηλεκτρονική μικροσκοπία (για παράδειγμα, επιτρέποντας εκθέσεις χαμηλής δόσης σε ευαίσθητα υλικά) όσο και άλλους τομείς της φυσικής των ελεύθερων ηλεκτρονίων.
Επιπλέον, η γνώση που θα αποκτηθεί θα βοηθήσει στη βελτίωση της ευκρίνειας και της χρωματικής αντίθεσης των τρεχουσών οθονών , όπως αυτές που βασίζονται στην τεχνολογία QLED (κβαντικές κουκκίδες), και στο σχεδιασμό πιο ομοιόμορφων νανο/κβαντικών υλικών που επιτρέπουν ακόμη μεγαλύτερη ευκρίνεια εικόνας.
Συνολικά, το άθροισμα αυτών των γραμμών έρευνας - το QMC στο Caltech, το Q-MIC στην Ευρώπη, το QUION και το τετραδιάστατο μικροσκόπιο του Technion - σκιαγραφεί μια εικόνα στην οποία η μικροσκοπία γίνεται ένας βαθιά κβαντικός κλάδος , ικανός να δείχνει, να ελέγχει, ακόμη και να προσομοιώνει την ύλη σε κλίμακες που προηγουμένως ήταν μόνο ένα θεωρητικό όνειρο.
Ολόκληρο αυτό το οικοσύστημα νέων κβαντικών μικροσκοπίων σηματοδοτεί ένα σημείο καμπής: δεν πρόκειται πλέον απλώς για το να βλέπουμε μικρότερα πράγματα, αλλά για το να βλέπουμε διαφορετικά, αξιοποιώντας φαινόμενα όπως η διεμπλοκή, η σήραγγωση, η συνοχή και η πολυσωματιδιακή παρεμβολή για την εξαγωγή πληροφοριών που ήταν αδιανόητες πριν από μερικές δεκαετίες. Καθώς αυτές οι τεχνολογίες ωριμάζουν και ξεπερνούν τα όρια του εργαστηρίου, αναμένεται να μεταμορφώσουν την ιατρική, την ηλεκτρονική, την επιστήμη των υλικών και, γενικότερα, την κατανόησή μας για τα πιο προσωπικά επίπεδα της πραγματικότητας.
