Kvantintrassling av fotoner fördubblar mikroskopupplösningen
Med hjälp av ett "konstigt" fenomen inom kvantfysik har Caltech-forskare upptäckt ett sätt att fördubbla upplösningen hos ljusmikroskop.
I en artikel publicerad i tidskriften Nature Communications visar ett team under ledning av Lihong Wang, Bren-professorn i medicinsk teknik och elektroteknik, ett steg framåt inom mikroskopi genom så kallad kvantintrassling. Kvantintrassling är ett fenomen där två partiklar är sammanlänkade så att den enas tillstånd korrelerar med den andras tillstånd, oavsett om partiklarna är nära varandra. Albert Einstein kallade kvantintrassling "spöklik handling på avstånd" eftersom det inte kunde förklaras av hans relativitetsteori.
Enligt kvantteorin kan vilken typ av partikel som helst vara intrasslad. I Wangs nya mikroskopiteknik, kallad coincidence quantum microscopy (QMC), är de intrasslade partiklarna fotoner. Sammantaget kallas två intrasslade fotoner för tvåfotoner, och viktigt för Wangs mikroskop beter sig de på vissa sätt som en enda partikel med dubbelt så mycket rörelsemängd som en enskild foton.
Eftersom kvantmekaniken säger att alla partiklar också är vågor, och våglängden på en våg är omvänt proportionell mot partikelns rörelsemängd, har partikeln med rörelsemängd en mindre våglängd. Därför, eftersom en två-foton har dubbelt så mycket rörelsemängd som en foton, har den halva våglängden av en enskild foton.
Detta är nyckeln till hur QMC fungerar. Mikroskop kan bara avbilda särdrag på föremål vars minsta storlek är hälften av ljusets våglängd som används av mikroskopet. Att minska våglängden på detta ljus innebär att mikroskopet kan se mindre saker, vilket förbättrar upplösningen.
Kvantintrassling är inte det enda sättet att minska våglängden hos ljus som används i mikroskop. Till exempel har grönt ljus en kortare våglängd än rött ljus, och violett ljus har en kortare våglängd än grönt ljus. Men på grund av en annan egenhet av kvantfysik, bär ljus med kortare våglängder mer energi. Så när du väl utsätts för ljus med en våglängd som är tillräckligt liten för att avbilda små saker, bär ljuset så mycket energi att det kan skada objektet som avbildas, särskilt levande ting som celler. Det är därför ultravioletta (UV) strålar med mycket kort våglängd kan ge dig en solbränna.
Denna begränsning kringgås genom att använda två-fotoner, som bär den lägre energin hos fotonen med längre våglängd, samtidigt som de har den kortare våglängden hos fotonen med högre energi.
"Celler gillar inte UV-ljus," sa Wang. "Men om vi kan avbilda celler med hjälp av 400-nanometerljus och uppnå effekten av 200-nanometerljus, vilket är ultraviolett ljus, är cellerna glada och vi får ultraviolett upplösning.
För att uppnå detta byggde Wangs team en optisk enhet som lyser laserljus till en speciell kristall som omvandlar några av de fotoner som passerar genom den till tvåfotoner. Även med just den här kristallen är denna omkopplare extremt sällsynt, den inträffar i storleksordningen en på en miljon fotoner. Med hjälp av en serie speglar, linser och prismor delas varje tvåfoton - som i praktiken består av två diskreta fotoner - och skjuts längs två banor, så att en av de parade fotonerna passerar genom objektet som avbildas och den andra inte. .
De fotoner som passerar genom objektet kallas signalfotoner och de fotoner som inte passerar genom objektet kallas lediga fotoner. Dessa fotoner fortsätter sedan genom mer optik tills de når en detektor ansluten till en dator som bygger en bild av cellen baserat på informationen som bärs av signalfotonerna. Överraskande nog, trots närvaron av objektet och dess separata vägar, förblev de parade fotonerna intrasslade som två-fotoner, som uppförde sig vid halva våglängden.
Labbet är inte det första att undersöka denna typ av tvåfotonavbildning, men det är det första som använder konceptet för att skapa ett fungerande system. "Vi utvecklade vad vi trodde var en rigorös teori och snabbare, mer exakta mätningar av intrassling. Vi uppnådde mikroskopisk upplösning och cellulär avbildning.
Även om det teoretiskt sett inte finns någon gräns för antalet fotoner som kan intrasslas med varandra, ökar varje ytterligare foton ytterligare den resulterande multifotonens rörelsemängd samtidigt som den minskar dess våglängd ytterligare.
Framtida forskning kan trassla in fler fotoner, även om han noterar att varje ytterligare foton ytterligare minskar sannolikheten för framgångsrik intrassling, som redan är så låg som en på en miljon, som nämnts ovan.
