Kvantesammenfiltring af fotoner fordobler mikroskopopløsningen
Ved hjælp af et "underligt" fænomen inden for kvantefysik har Caltech-forskere opdaget en måde at fordoble opløsningen af lysmikroskoper.
I et papir offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications demonstrerer et hold ledet af Lihong Wang, Bren-professoren i medicinsk teknik og elektroteknik, et spring fremad inden for mikroskopi gennem såkaldt kvantesammenfiltring. Kvantesammenfiltring er et fænomen, hvor to partikler er forbundet, så den enes tilstand korrelerer med den andens tilstand, uanset om partiklerne er i nærheden af hinanden. Albert Einstein kaldte kvantesammenfiltring for "uhyggelig handling på afstand", fordi det ikke kunne forklares med hans relativitetsteori.
Ifølge kvanteteorien kan enhver type partikel vikles ind. I Wangs nye mikroskopiteknik, kaldet coincidence quantum microscopy (QMC), er de sammenfiltrede partikler fotoner. Samlet kaldes to sammenfiltrede fotoner to-fotoner, og vigtigst af alt for Wangs mikroskop opfører de sig på nogle måder som en enkelt partikel med dobbelt så meget momentum som en enkelt foton.
Da kvantemekanikken siger, at alle partikler også er bølger, og en bølges bølgelængde er omvendt proportional med partiklens momentum, har partiklen med momentum en mindre bølgelængde. Derfor, da en to-foton har dobbelt så stor bevægelsesmængde som en foton, har den halvdelen af bølgelængden af en enkelt foton.
Dette er nøglen til den måde, QMC fungerer på. Mikroskoper kan kun afbilde træk på objekter, hvis mindste størrelse er halvdelen af lysets bølgelængde, der bruges af mikroskopet. At reducere bølgelængden af dette lys betyder, at mikroskopet kan se mindre ting, hvilket forbedrer opløsningen.
Kvantesammenfiltring er ikke den eneste måde at reducere bølgelængden af lys, der bruges i mikroskoper. For eksempel har grønt lys en kortere bølgelængde end rødt lys, og violet lys har en kortere bølgelængde end grønt lys. Men på grund af et andet særpræg ved kvantefysikken, bærer lys med kortere bølgelængder mere energi. Så når du først bliver udsat for lys med en bølgelængde, der er lille nok til at afbilde små ting, bærer lyset så meget energi, at det kan beskadige det objekt, der afbildes, især levende ting som celler. Dette er grunden til, at ultraviolette (UV) stråler med meget kort bølgelængde kan give dig en solskoldning.
Denne begrænsning omgås ved at bruge to-fotoner, som bærer den lavere energi af foton med længere bølgelængde, mens de samtidig har den kortere bølgelængde af foton med højere energi.
"Celler kan ikke lide UV-lys," sagde Wang. "Men hvis vi kan afbilde celler ved hjælp af 400-nanometerlys og opnå effekten af 200-nanometerlys, som er ultraviolet lys, er cellerne glade, og vi får ultraviolet opløsning.
For at opnå dette byggede Wangs team en optisk enhed, der skinner laserlys til en speciel krystal, der omdanner nogle af de fotoner, der passerer gennem den, til to-fotoner. Selv med denne særlige krystal er denne switch ekstremt sjælden, den forekommer i størrelsesordenen én ud af en million fotoner. Ved hjælp af en række spejle, linser og prismer opdeles hver to-foton - der i realiteten består af to adskilte fotoner - og skubbes ad to veje, så en af de parrede fotoner passerer gennem det objekt, der afbildes, og den anden ikke. .
De fotoner, der passerer gennem objektet, kaldes signalfotoner, og de fotoner, der ikke passerer gennem objektet, kaldes ledige fotoner. Disse fotoner fortsætter derefter gennem mere optik, indtil de når en detektor, der er forbundet til en computer, der bygger et billede af cellen baseret på informationen båret af signalfotonerne. På trods af tilstedeværelsen af objektet og dets separate veje forblev de parrede fotoner overraskende indviklet som to-fotoner, som opførte sig ved halvdelen af bølgelængden.
Laboratoriet er ikke det første til at undersøge denne form for to-foton-billeddannelse, men det er det første, der bruger konceptet til at skabe et fungerende system. "Vi udviklede, hvad vi troede var en streng teori og hurtigere, mere nøjagtige målinger af sammenfiltring. Vi opnåede mikroskopisk opløsning og cellulær billeddannelse.
Selvom der teoretisk ikke er nogen grænse for antallet af fotoner, der kan vikles ind i hinanden, øger hver ekstra foton yderligere impulsen af den resulterende multifoton, mens dens bølgelængde reduceres yderligere.
Fremtidig forskning kan sammenfiltre flere fotoner, selvom han bemærker, at hver ekstra foton yderligere reducerer sandsynligheden for vellykket sammenfiltring, som allerede er så lav som én ud af en million, som nævnt ovenfor.
