Kvanttiteknologia mullistaa tapamme tarkastella mikroskooppista maailmaa . Se, mikä muutama vuosikymmen sitten tuntui tieteiskirjallisuudelta – elävien solujen tarkkailu äärimmäisen yksityiskohtaisesti niitä vahingoittamatta, kiteisiin jääneen valon liikkeen seuraaminen tai atomien valokuvaaminen yksi kerrallaan – on tulossa rutiiniksi johtavissa laboratorioissa ympäri maailmaa.
Uusien kvanttimikroskooppien ansiosta, jotka pystyvät ylittämään klassiset resoluutiorajoitukset , tiedemiehet murtavat esteitä, jotka ovat määritelleet mahdollisuuksien rajoja yli vuosisadan ajan. Elävien solujen optisesta mikroskopiasta, joka perustuu kietoutuneisiin fotoneihin, ultrakylmien kaasujen kvanttisimulaattoreihin ja 4D-elektronimikroskooppeihin, yhteinen tavoite on selvä: saada paljon enemmän tietoa vähemmällä valolla tai pienemmillä säteilyannoksilla ja nähdä rakenteita, jotka olivat aiemmin kirjaimellisesti näkymättömiä.
Klassinen resoluution raja ja miksi normaali valo ei riitä
Perinteisessä optisessa mikroskoopissa pienten yksityiskohtien erottamiskykyä rajoittaa käytetyn valon aallonpituus . Yleissääntönä on, että vain rakenteet, joiden koko on vähintään noin puolet tästä aallonpituudesta, voidaan erottaa.
Tämä tarkoittaa, että käytettäessä tavallista näkyvää valoa on piste, jossa resoluutiota ei voi parantaa pelkästään lisäämällä suurennusta . Lähemmäs pääsee kyllä, mutta yksityiskohdat alkavat sumentua, koska valon aaltomainen luonne itsessään toimii fyysisenä kattona.
Yksi ilmeinen tapa mennä pidemmälle on käyttää lyhyempiä aallonpituuksia omaavaa valoa , kuten violettia tai jopa ultraviolettia (UV). Mitä lyhyempi aallonpituus, sitä pienempiä yksityiskohtia mikroskooppi pystyy erottamaan. Tällä on kuitenkin merkittävä haittapuoli: nämä säteilyt kuljettavat enemmän energiaa ja voivat vahingoittaa tai tappaa eläviä soluja ja herkkiä molekyylejä , mikä on mahdotonta hyväksyä solubiologiassa, lääketieteessä tai monissa erittäin tarkoissa kokeissa.
Tutkijat ovat painineet tämän tasapainon kanssa vuosia: jos valon intensiteettiä vähennetään näytteen palamisen välttämiseksi, kuvasta tulee kohinaista , se menettää kontrastiaan ja tärkeitä yksityiskohtia menetetään. Jos intensiteettiä lisätään liikaa tai käytetään erittäin energistä säteilyä, näyte kärsii peruuttamattomista vaurioista. Tässä kohtaa kvanttifysiikan ideat astuvat esiin.
Klassinen optiikka jää vajaaksi, kun yritämme tasapainotella hämärässä, suurella herkkyydellä ja äärimmäisellä resoluutiolla. Tässä skenaariossa huolellisesti valmistellun kvanttivalon, kuten kietoutuneiden fotoniparien , käyttö antaa meille mahdollisuuden kiertää joitakin näistä rajoituksista ja avata täysin uuden ikkunan mikro- ja nanomaailmaan.
"Kammottavan" toiminnan ja täydellisen kuvan välillä: kvanttilomittuminen
Yksi modernin fysiikan silmiinpistävimmistä ilmiöistä on kvanttilomittuminen . Kvanttimekaniikan mukaan kaksi hiukkasta voi korreloitua niin läheisesti, että toisen tila on yhteydessä toisen tilaan riippumatta niiden välisestä etäisyydestä. Albert Einstein kuvaili tätä "kauhistuttavaksi vaikutukseksi etäisyydellä", koska se oli ristiriidassa klassisen intuition ja hänen oman suhteellisuusteoriansa kanssa.
Mikroskopian yhteydessä tämä kietoutuminen johtaa kietoutuneiden fotonien pareihin, jotka tunnetaan bifotoneina . Kvanttinäkökulmasta bifotoni käyttäytyy lähes kuin yksi komposiittihiukkanen, jonka liikemäärä on noin kaksinkertainen yksittäisen fotonin liikemäärään verrattuna.
Kvanttimekaniikka muistuttaa meitä siitä, että jokaisella hiukkasella on myös aaltomainen luonne . Tässä viitekehyksessä aallonpituus on kääntäen verrannollinen liikemäärään: mitä suurempi liikemäärä, sitä lyhyempi aallonpituus. Tämä tarkoittaa, että koska bifotonilla on suurempi efektiivinen liikemäärä, sen efektiivinen aallonpituus on noin puolet niiden yksittäisten fotonien aallonpituudesta, joista se syntyi.
Tämä aaltojen ja hiukkasten vuorovaikutus on kiinnostavaa, koska jos saamme mikroskoopin toimimaan ikään kuin se käyttäisi valoa, jonka aallonpituus vastaa puolta , voimme nähdä kaksi kertaa pienempiä yksityiskohtia turvautumatta energisempään tai aggressiivisempaan säteilyyn soluille.
Tämä kvanttilomittumisen nerokas käyttö avaa oven tekniikoille, jotka pitämällä fotoneja pehmeillä energioilla (esimerkiksi noin 400 nanometrin aallonpituudella violetilla alueella) saavuttavat resoluution, joka on verrattavissa paljon lyhyemmän , noin 200 nanometrin ultraviolettivalon resoluutioon, mutta tuhoamatta näytettä.
Kvanttikoinsidenssimikroskopia (QMC): resoluution kaksinkertaistaminen ilman solujen paistamista
Kalifornian teknillisen korkeakoulun (Caltech) tutkijaryhmä on kehittänyt tekniikan nimeltä Quantum Coincidence Microscopy (QMC) . Tämä Nature Communications -lehdessä "kvanttisolumikroskopiaksi Heisenbergin rajalla" kuvattu menetelmä lupaa kaksinkertaistaa perinteisellä optisella mikroskoopilla saavutettavan resoluution.
Kvanttimetrisen spektrometrin (QMC) keskeinen ajatus on valjastaa toisiinsa kietoutuneiden fotoniparien muodostaminen bifotoneiksi . Nämä bifotonit käyttäytyvät yhtenä kokonaisuutena, jolla on kaksinkertainen liikemäärä ja siten lyhyempi efektiivinen aallonpituus. Siten 400 nm:n valoa (violetin spektrin reunalla) käyttävä järjestelmä voi saavuttaa 200 nm:n valoa (täydellä ultraviolettialueella) vastaavan resoluution pitäen samalla näytteeseen kertyvän energian paljon hallittavammalla tasolla.
Caltechin lääketieteellisen tekniikan ja sähkötekniikan professori ja tämän työn pääkirjoittaja, tiivistää asian hyvin graafisesti: solut "eivät tule toimeen" ultraviolettivalon kanssa, mutta jos valaisemme 400 nm:n aallonpituudella ja saavutamme saman resoluutiovaikutuksen kuin 200 nm:n aallonpituudella, solut "ovat tyytyväisiä" ja mikroskooppi jatkaa yksityiskohtien parantamista.
Tämä lähestymistapa ratkaisee klassisen ongelman yhdellä iskulla: erittäin pienten rakenteiden näkemiseen ei tarvita äärimmäisen energistä valoa . Manipuloimalla kvanttilomittumista ja tapaa, jolla fotoniparien välisiä vastaavuuksia mitataan, QMC-järjestelmä antaa mikroskoopille mahdollisuuden saada enemmän irti jokaisesta fotonista lisäämättä elävien näytteiden mahdollista vaurioitumista.
Toisin kuin perinteiset mikroskoopit, jotka tallentavat vain kohteen yksityiskohtia, joiden koko on verrattavissa puoleen käytetyn valon aallonpituudesta, QMC pystyy näkemään paljon pienempiä rakenteita käyttämällä vähemmän haitallista valoa . Lisäksi se tekee tämän kokeellisella laitteistolla, joka sen luojien mukaan on jo toimiva järjestelmä eikä vain kertaluonteinen laboratoriodemonstraatio.
QMC:n toimintaperiaate vaihe vaiheelta
Tämän idean toteuttamiseksi Caltechin tiimi rakensi optisen laitteen, jossa lasersäde osuu erityiseen kiteeseen . Tämä kide on suunniteltu muuttamaan pieni osa tulevista fotoneista kietoutuneiksi fotoneiksi, joita kutsutaan bifotoneiksi. Tällä hetkellä hyötysuhde on hyvin alhainen (luokkaa yksi miljoonaa fotonia kohden), mutta tutkijat työskentelevät jo tämän nopeuden parantamiseksi.
Kun nämä bifotonit on tuotettu, ne erotetaan toisistaan peilien, linssien ja prismojen avulla , niin että niitä muodostavat kaksi fotonia seuraavat eri reittejä. Toinen niistä kulkee havaittavan näytteen läpi (tätä kutsutaan signaalifotoniksi) ja toinen ei kulje näytteen läpi (tämä on lepotilassa oleva tai inaktiivinen fotoni).
Molemmat fotonit jatkavat sitten matkaansa järjestelmän optiikan läpi, kunnes ne saavuttavat tietokoneeseen kytketyn ilmaisimen. Temppu on siinä, että tietokone ei laske vain yksittäisiä fotoneja, vaan kahden toisiinsa kietoutuneen fotonin välisiä sattumia . Näiden tietojen perusteella näytteen kuva rekonstruoidaan hyödyntäen parin kietoutunutta luonnetta.
Yllättävää on, että vaikka fotonit kulkevat eri reittejä solun tai muun objektin läpi kulkiessaan, ne säilyttävät kietoutumisensa ja käyttäytyvät bifotonina havaitsemisen aikana. Järjestelmä hyödyntää tätä kvanttikoherenssia siten, että kokonaisuus käyttäytyy ikään kuin sillä olisi puolet aallonpituudesta.
Vaikka muut ryhmät olivat jo onnistuneet saamaan bifotonikuvia, Wangin tiimi väittää, että tämä on ensimmäinen mikroskooppisesti erotettu komposiitti, joka osoittaa käytännöllisen ja toistettavan järjestelmän . He ovat kehittäneet tarkan teorian prosessin kuvaamiseksi, nopean ja tarkan menetelmän kietoutumisen mittaamiseksi ja osoittaneet sen hyödyllisyyden oikeilla biologisilla näytteillä.
Tarkastele eläviä soluja tarkemmin ja vähemmillä vaurioilla
Caltechin tiimi käytti kvanttimikroskooppiaan syöpäsolujen kuvaamiseen . Parannetun resoluution ansiosta he pystyivät tunnistamaan selvästi erilaisia sisäisiä rakenteita, joita klassinen optinen mikroskooppi ei pystynyt erottamaan vastaavalla valolla ja säteilyllä.
Silmiinpistävintä on, että solut eivät vaurioituneet eivätkä tuhoutuneet prosessin aikana , koska käytetty säteily ei ollut erityisen energistä. Taika piilee siinä, miten bifotonien kuljettama kvantti-informaatio valjastetaan, ei solun "pommittamisessa" yhä aggressiivisemmilla fotoneilla.
Tätä tekniikkaa pidetään erittäin lupaavana edistysaskeleena lääketieteellisessä kuvantamisessa ja biolääketieteellisessä tutkimuksessa . Mahdollisuus tutkia eläviä soluja, kudoksia tai jopa herkkiä mikro-organismeja kvanttifysiikan asettamaa rajaa (ns. Heisenbergin rajaa) lähellä olevalla resoluutiolla niitä tuhoamatta avaa oven varhaisille diagnooseille, paremmalle hoidon seurannalle ja kriittisten biologisten prosessien tarkemmalle ymmärtämiselle.
Tulevaisuutta ajatellen tutkijat harkitsevat useamman kuin kahden kietoutuneen fotonin käyttöä resoluution tarkentamiseksi ja teknologian optimointia fotonien ja ympäristön vuorovaikutukseen liittyvän taustamelun vähentämiseksi. Jokainen parannus parantaisi entisestään tuloksena olevien kuvien laatua ja tarkkuutta.
Samanaikaisesti tämä kehitys luo pohjaa sovelluksille esimerkiksi kvanttilaskennan, kryptografian ja uusien materiaalien suunnittelun aloilla , joilla kyky karakterisoida nanomittakaavan rakenteita vahingoittamatta niitä on korvaamatonta.
Kvanttikaasumikroskoopit: atomien jäädyttäminen ja niiden tarkastelu yksi kerrallaan
Samaan aikaan Euroopassa on edistytty toisella täydentävällä rintamalla: ultrakylmän kaasun kvanttimikroskoopeilla . Hyvä esimerkki on Castelldefelsissä sijaitsevan fotoniikan instituutin (ICFO) kehittämä QUIONE, joka on esitelty PRX Quantum -lehdessä.
QUIONE toimii "kvanttisimulaattorina", joka jäähdyttää strontiumatomit lähelle absoluuttista nollapistettä , järjestää ne optiseksi hilaksi ja mahdollistaa niiden havaitsemisen yksittäin, melkein kuin ne olisivat pahvin reikiin asetettuja munia, mutta atomitasolla.
Perinteisesti kvanttikaasumikroskoopit ovat käyttäneet alkalimetalleja, kuten litiumia tai kaliumia , joita on optisesti helpompi käsitellä. Strontiumin – monimutkaisemman spektrin omaavan maa-alkalimetallin – tuominen kvanttimaailmaan avaa oven paljon eksoottisempien materiaalien ja aineen faasien simuloinnille.
Prosessi toimii seuraavasti: strontiumkaasun lämpötila lasketaan erittäin alhaiseksi muutamaksi millisekunniksi, mikä aiheuttaa atomien hidastumisen lähes kokonaan ja loukkuun jäämisen optiseen hilaan , eräänlaiseen lasereiden luomaan valoverkkoon. Jokainen hilan kohta toimii pienenä energialähteenä, jossa atomi suurella todennäköisyydellä sijaitsee.
Tämän laitteiston ansiosta tiimi on pystynyt ottamaan atomi kerrallaan kuvia ja tutkimaan ilmiöitä, kuten suprajuoksevuutta, jossa strontiumkaasu virtaa ilman viskositeettia. Lisäksi atomien dynamiikka, jossa ne "hyppäävät" hilan paikasta toiseen ilman, että niiden tarvitsee ylittää klassisia esteitä, havainnollistaa suoraan tunnettua kvanttitunnelointiilmiötä.
QUIONE analogisena kvanttiprosessorina ja uusien materiaalien laboratoriona
QUIONE ei ole vain mikroskooppi: se on pohjimmiltaan analoginen kvanttiprosessori . Säätämällä optisen hilan muotoa, lasereiden intensiteettiä, atomien välisiä vuorovaikutuksia ja muita parametreja tutkijat voivat "ohjelmoida" järjestelmän jäljittelemään monimutkaisten reaalimaailman materiaalien käyttäytymistä , mutta erittäin kontrolloidussa ympäristössä.
Tämä antaa meille mahdollisuuden käsitellä vaikeita kysymyksiä, esimerkiksi miksi tietyt materiaalit johtavat sähköä häviöttömästi (suprajohtavuus) suhteellisen korkeissa lämpötiloissa tai miten elektronit ovat järjestäytyneet topologisiin faaseihin, joita vielä ymmärretään huonosti.
Kyky tutkia strontiumkaasuja niin tarkasti tämän tyyppisellä kvanttimikroskoopilla tekee QUIONEsta strategisen työkalun tulevaisuuden kvanttitietokoneiden ja niihin liittyvien teknologioiden kehittämiselle . Strontium on erityisen houkutteleva erittäin tarkkojen atomikellojen ja vankkojen kvanttiprosessoreiden rakentamiseen, joten laite, jonka avulla voimme manipuloida ja visualisoida sitä yhden atomin mittakaavassa, on todellinen tieteellinen ylellisyys.
Tutkijat, kuten Leticia Tarruell ja hänen tiiminsä, korostavat, että tämäntyyppinen kvanttisimulaatio auttaa selvittämään erittäin monimutkaisia mikroskooppisia järjestelmiä ja tarjoaa vihjeitä uusien, räätälöityjä ominaisuuksia omaavien materiaalien suunnitteluun, parannetuista suprajohteista topologisiin eristeisiin.
Näin ollen meillä on kvanttimikroskooppien perhe, joka ei ainoastaan näytä maailmaa, vaan myös luo sen pienoiskoossa uudelleen ymmärtääkseen sitä paremmin, mikä näytti olevan varattu teoreettisille malleille aivan viime aikoihin asti.
Hyvin matalan intensiteetin kvanttivalo: eurooppalainen projekti Q-MIC
Toinen vahva sitoutuminen kvanttimikroskopiaan tulee eurooppalaisesta Q-MIC-projektista , jota myös ICFO ja italialaiset ja saksalaiset yhteistyökumppanit johtavat pääosin. Vuodesta 2018 lähtien tämä konsortio on työskennellyt mikroskoopin kehittämiseksi, joka pystyy käyttämään erittäin matalan intensiteetin kvanttivaloa saadakseen kuvia, joilla on laaja näkökenttä, korkea herkkyys ja parempi resoluutio kuin klassisilla mikroskoopeilla.
Q-MIC-laite on ainutlaatuinen, koska se on erityisesti suunniteltu valaisemaan näytettä toisiinsa kietoutuneiden fotoniparien avulla perinteisen, monista epäjärjestyneistä fotoneista koostuvan valon sijaan. Tällä tavoin jokainen fotonipari kuljettaa tarkasti korreloivaa määrää tietoa, mikä mahdollistaa useampien yksityiskohtien erottamisen pienemmällä kokonaissäteilyllä.
Sovelluksissa, joissa näyte on erittäin herkkä – esimerkiksi tietyt proteiinit, virukset, molekyylit tai elävät kudokset – on tärkeää, että sillä on pääsy matalan intensiteetin valoon, joka ei pilaa koetta . Ongelmana on, kuten aina, että intensiteetin vähentäminen lisää kuvan suhteellista kohinaa, mikä usein sumentaa tulosta.
Q-MIC voittaa tämän esteen käyttämällä lomittuneista fotoneista syntyviä interferenssikuvioita . Sen sijaan, että kamera vain tallentaisi, kuinka monta fotonia saavuttaa jokaisen pikselin, se havaitsee optisen järjestelmän läpi kulkevat vastaavat fotoniparit ja ottaa niistä näytteitä. Tätä tietoa käytetään kuvan rekonstruointiin edistyneiden matemaattisten algoritmien avulla.
Tämän lähestymistavan ansiosta tutkijat ovat osoittaneet, että on mahdollista vähentää kohinaa ja lisätä mittausten herkkyyttä yli 25 % perinteisiin tekniikoihin verrattuna , samalla kun valoannokset pysyvät selvästi tavanomaisia tasoja alhaisempina.
Interferenssi, Savart-levyt ja kuvan rekonstruointi
Q-MIC:n optinen ydin sisältää joukon Savart-levyjä , kahtaistaittavia kiteitä, jotka pystyvät jakamaan valonsäteen kahdeksi eri polarisaatioilla (vaakasuora ja pystysuora) varustetuksi säteeksi, jotka kulkevat hieman eri reittejä, sekä ohjauselementtejä, jotka ovat samanlaisia kuin kuituoptisissa järjestelmissä käytetyt elementit.
Kun kietoutuneiden fotoniparien kulku tämän järjestelmän läpi, Savart-levyt erottavat polkunsa ja ohjaavat ne kohti näytettä . Jos näyte on täysin tasainen ja homogeeninen, fotonien reitit pysyvät lähes identtisinä. Mutta jos paksuudessa, taitekertoimessa tai muissa ominaisuuksissa on vaihteluita, syntyy vaihe-eroja, jotka säteiden uudelleenyhtyessä aiheuttavat monimutkaisia interferenssikuvioita.
Mikroskooppikamera ei mittaa optisen intensiteetin tasoja tavanomaisessa mielessä, vaan pikemminkin tallentaa fotonien saapumisten sattumat näkökentän eri pisteisiin. Toistamalla tätä prosessia useita kertoja kertyy kahden fotonin interferenssikuvio, joka koodaa tietoa näytteen hienorakenteesta.
Matemaattisiin ja signaalinkäsittelytekniikoihin perustuvien rekonstruointialgoritmien avulla tutkijat muuntavat nämä kuviot yksityiskohtaisiksi kuviksi ilman piste pisteeltä -skannausjärjestelmää. Tämä mahdollistaa suhteellisen laajojen näkökenttien kattamisen suurella herkkyydellä ja hyvällä resoluutiolla, mikä on erittäin hyödyllistä pintojen ja laajojen näytteiden analysoinnissa.
Parannuksen varmistamiseksi he ottivat standardinäytteen proteiini A:sta, joka oli kerrostettu lasilevylle, jossa oli tasavälein toisistaan olevia soluja. He valaisivat sitä ensin klassisella valolla ja sitten kvanttivalolla, saivat interferenssikuviot molemmissa tapauksissa ja rekonstruoivat kuvat. Tulos oli selvä: kvanttivalolla kuva oli paljon tasaisempi, siinä oli vähemmän kohinaa ja rakenteiden reunat olivat paremmin määritellyt.
Q-MIC-sovellukset: joustavista materiaaleista viruksiin
Science Advances -lehdessä julkaistut Q-MIC-tutkimuksen tulokset osoittavat selvästi, ettei tämä kvanttivalaistusstrategia ole pelkkä teoreettinen kuriositeetti. Suunniteltuja sovelluksia on monenlaisia, kuten materiaalitiede, läpinäkyvien pintojen analysointi joustavaa elektroniikkaa varten ja herkkien pinnoitteiden tarkastus.
Lisäksi sen kyky toimia hyvin pienillä valoannoksilla tekee siitä ihanteellisen ehdokkaan tutkimaan erittäin herkkiä mikro-organismeja, kuten tiettyjä viruksia, ja molekyylejä, jotka hajoavat helposti voimakkaassa valaistuksessa. Sen sovelluksia on suunniteltu myös esimerkiksi kvanttikryptografiassa ja turvallisessa viestinnässä , joissa kietoutuneiden fotonien hienosäätö on ratkaisevan tärkeää.
Q-MIC-mikroskooppi osoittaa, että hyödyntämällä lomittumista oikein voimme parantaa kunkin fotonin erottaman tiedon laatua , vähentää kohinaa ja lisätä tarkkuutta ilman, että valoannosta tarvitsee lisätä.
Caltechin QMC-tyyppisten tekniikoiden ohella Q-MIC vahvistaa ajatusta siitä, että seuraava suuri vallankumous mikroskopiassa on kvanttioptiikassa , ei vain suurempien linssien tai tehokkaampien lasereiden rakentamisessa.
4D-kvanttielektronimikroskopia: fotonisten kiteiden sisällä olevan valon näkeminen
Kvanttivallankumous kuvantamisessa ei rajoitu näkyvään valoon tai ultrakylmiin kaasuihin. Israelissa Technionin – Israelin teknillisen korkeakoulun – tutkijat ovat kehittäneet ultranopean 4D-elektronimikroskoopin , jonka avulla voidaan havaita fotonisten kiteiden sisällä oleva valovirtaus suoraan. Tähän asti tätä on voitu tutkia vain tietokonesimulaatioiden avulla.
Tätä Nature-lehdessä ensimmäisen kerran kuvattua järjestelmää pidetään yhtenä maailman edistyneimmistä lähikentän optisista mikroskoopeista , vaikka sen teknologinen ydin perustuu ainutlaatuisilla ominaisuuksilla varustettuun ultrasnopeaan läpäisyelektronimikroskooppiin.
Professori Ido Kaminerin johtama ryhmä on luonut kokeellisen alustan, jossa ultralyhyet valopulssit (alle 100 femtosekunnin luokkaa) virittävät näytteen ja 40–200 kV:n jännitteisiin kiihdytetyt elektronipulssit luotaavat sitä sen transienttitilan tallentamiseksi. Toisin sanoen näytettä "valaistu" ja "valokuvataan" elektroneilla uskomattoman lyhyin aikavälein.
Tämän konfiguraation avulla on mahdollista kartoittaa nanomateriaaleihin (kuten fotonisiin kiteisiin) suljetun valon ja vapaiden elektronien välisiä vuorovaikutuksia , jolloin saadaan tietoa optisten kenttien dynamiikasta ennennäkemättömällä spatiaalisella ja ajallisella resoluutiolla.
Käytännön tuloksena tiedemiehet voivat ensimmäistä kertaa havaita suoraan, miten valo käyttäytyy fotonisten rakenteiden sisällä loukkuun jääneenä ja ohjattuna , sen sijaan, että heidän tarvitsisi päätellä sitä pelkästään mallien ja simulaatioiden perusteella. Tämä avaa uuden kentän optimoitujen ominaisuuksien omaavien kvanttimateriaalien ja fotonisten laitteiden suunnittelulle, esimerkiksi kvanttibittien (kubittien) tallentamiseen vakaammin.
Vapaat elektroniaaltopaketit ja uudet kvantti-ilmiöt
Tämän läpimurron taustalla on vapaiden elektronien ja valon välisten ultranopeiden vuorovaikutusten fysiikka . Perinteisesti kvanttielektrodynamiikka (QED) on tutkinut, miten kvanttiaine – atomit, kvanttipisteet, suprajohtavat piirit jne. – on vuorovaikutuksessa onteloihin suljettujen valomoodien kanssa. Se on käsitteellinen perusta monille nykyisille kvanttiteknologioille.
Näissä systeemeissä elektronit ovat kuitenkin sitoutuneet , ja niiden energiatilat, spektrialue ja valintasäännöt ovat erittäin rajoitettuja. Viimeaikaiset edistysaskeleet ovat kiinnittäneet huomion toiseen olioon: vapaiden elektronien kvanttiaaltopaketteihin . Toisin kuin sitoutuneet elektronit, nämä paketit voivat kattaa laajan energia-alueen ja tutkia paljon monipuolisempaa vuorovaikutusten valikoimaa.
Ongelmana oli, että useista teoreettisista ennusteista vapaiden elektronien kiehtovista vaikutuksista fotonisissa onteloissa huolimatta kukaan ei ollut onnistunut havaitsemaan näitä ilmiöitä lopullisesti elektronien ja suljetun valon välisen vuorovaikutuksen voimakkuuden ja keston perustavanlaatuisten rajoitusten vuoksi.
Technion-mikroskooppi voittaa tämän esteen mahdollistamalla lähikentän optisten karttojen tallentamisen hyödyntämällä suoraan elektronien kvanttiluonnetta . Keskeinen testi on Rabi-tyyppisten värähtelyjen havaitseminen elektronispektrissä, käyttäytymistä, jota ei voida selittää pelkästään klassisilla teorioilla.
Tämän järjestelmän avulla tutkittavat tehokkaammat fotonittomat elektronivuorovaikutukset voisivat johtaa vahvoihin kytkentöihin, fotonisynteesiin erityisissä kvanttitiloissa ja uusiin epälineaarisiin ilmiöihin. Kaikki tämä hyödyttäisi sekä elektronimikroskopiaa (esimerkiksi mahdollistamalla pieniannoksisen altistuksen herkille materiaaleille) että muita vapaiden elektronien fysiikan aloja.
Lisäksi saatu tieto auttaa parantamaan nykyisten näyttöjen , kuten QLED (kvanttipiste) -tekniikkaan perustuvien näyttöjen, terävyyttä ja värikontrastia sekä suunnittelemaan yhtenäisempiä nano-/kvanttimateriaaleja, jotka mahdollistavat entistä paremman kuvanlaadun.
Yhdessä nämä tutkimuslinjat – QMC Caltechissa, Q-MIC Euroopassa, QUIONE ja Technionin 4D-mikroskooppi – maalaavat kuvan, jossa mikroskopiasta tulee syvästi kvanttitieteenala , joka kykenee näyttämään, hallitsemaan ja jopa simuloimaan ainetta mittakaavoissa, jotka aiemmin olivat vain teoreettinen unelma.
Tämä uusien kvanttimikroskooppien ekosysteemi merkitsee käännekohtaa: kyse ei ole enää pelkästään pienemmässä mittakaavassa näkemisestä, vaan erilaisesta näkemisestä. Valjastamme ilmiöitä, kuten lomittumista, tunnelointia, koherenssia ja monihiukkasinterferenssiä, sellaisten tietojen poimimiseksi, joita ei olisi voitu kuvitellakaan muutama vuosikymmen sitten. Näiden teknologioiden kypsyessä ja siirtyessä laboratorioiden ulkopuolelle niiden odotetaan mullistavan lääketieteen, elektroniikan, materiaalitieteen ja laajemmin ymmärryksemme todellisuuden intiimeimmistä tasoista.
