Kwantumverstrengeling van fotonen verdubbelt de resolutie van de microscoop
Met behulp van een "raar" fenomeen van de kwantumfysica hebben Caltech-onderzoekers een manier ontdekt om de resolutie van lichtmicroscopen te verdubbelen.
In een paper gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications demonstreert een team onder leiding van Lihong Wang, de Bren-hoogleraar Medical Engineering en Electrical Engineering, een sprong voorwaarts in microscopie door zogenaamde kwantumverstrengeling. Kwantumverstrengeling is een fenomeen waarbij twee deeltjes zo met elkaar verbonden zijn dat de toestand van het ene correleert met de toestand van het andere, ongeacht of de deeltjes zich dicht bij elkaar bevinden. Albert Einstein noemde kwantumverstrengeling "spookachtige actie op afstand" omdat het niet kon worden verklaard door zijn relativiteitstheorie.
Volgens de kwantumtheorie kan elk type deeltje verstrengeld raken. In de nieuwe microscopietechniek van Wang, toevalsquantummicroscopie (QMC) genoemd, zijn de verstrengelde deeltjes fotonen. Gezamenlijk worden twee verstrengelde fotonen twee-fotonen genoemd, en wat belangrijk is voor Wang's microscoop, ze gedragen zich in sommige opzichten als een enkel deeltje met tweemaal de impuls van een enkel foton.
Aangezien de kwantummechanica zegt dat alle deeltjes ook golven zijn, en de golflengte van een golf omgekeerd evenredig is met de impuls van het deeltje, heeft het deeltje met impuls een kleinere golflengte. Daarom, aangezien een twee-foton twee keer de impuls heeft van een foton, heeft het de helft van de golflengte van een enkel foton.
Dit is de sleutel tot de manier waarop QMC werkt. Microscopen kunnen alleen kenmerken afbeelden op objecten waarvan de kleinste afmeting de helft is van de golflengte van het licht dat door de microscoop wordt gebruikt. Door de golflengte van dit licht te verkleinen, kan de microscoop kleinere dingen zien, waardoor de resolutie verbetert.
Kwantumverstrengeling is niet de enige manier om de golflengte van licht dat in microscopen wordt gebruikt te verminderen. Groen licht heeft bijvoorbeeld een kortere golflengte dan rood licht en violet licht heeft een kortere golflengte dan groen licht. Maar door een andere eigenaardigheid van de kwantumfysica, draagt licht met kortere golflengten meer energie. Dus als je eenmaal bent blootgesteld aan licht met een golflengte die klein genoeg is om kleine dingen in beeld te brengen, draagt het licht zoveel energie dat het het object dat wordt afgebeeld, kan beschadigen, vooral levende wezens zoals cellen. Dit is de reden waarom ultraviolette (UV) stralen met een zeer korte golflengte u kunnen verbranden.
Deze beperking wordt omzeild door twee fotonen te gebruiken, die de lagere energie van het foton met langere golflengte dragen, terwijl ze tegelijkertijd de kortere golflengte van het foton met hogere energie hebben.
"Cellen houden niet van UV-licht," zei Wang. "Als we echter cellen in beeld kunnen brengen met behulp van 400-nanometerlicht en het effect van 200-nanometerlicht bereiken, wat ultraviolet licht is, zijn de cellen tevreden en krijgen we ultraviolette resolutie.
Om dit te bereiken, bouwde het team van Wang een optisch apparaat dat laserlicht in een speciaal kristal schijnt dat een deel van de fotonen die er doorheen gaan omzet in twee-fotonen. Zelfs met dit specifieke kristal is deze schakelaar uiterst zeldzaam en komt voor in de orde van grootte van één op een miljoen fotonen. Met behulp van een reeks spiegels, lenzen en prisma's wordt elk twee-foton - in feite bestaande uit twee afzonderlijke fotonen - gesplitst en langs twee paden verplaatst, zodat een van de gepaarde fotonen door het object gaat dat wordt afgebeeld en de andere niet. .
De fotonen die door het object gaan, worden signaalfotonen genoemd en de fotonen die niet door het object gaan, worden inactieve fotonen genoemd. Die fotonen gaan vervolgens door meer optica totdat ze een detector bereiken die is aangesloten op een computer die een beeld van de cel opbouwt op basis van de informatie die wordt overgedragen door de signaalfotonen. Verrassend genoeg bleven de gepaarde fotonen, ondanks de aanwezigheid van het object en zijn gescheiden paden, verstrengeld als twee fotonen, die zich gedroegen op de helft van de golflengte.
Het lab is niet de eerste die dit soort beeldvorming met twee fotonen onderzoekt, maar het is wel de eerste die het concept gebruikt om een werkend systeem te creëren. "We ontwikkelden wat we dachten dat een rigoureuze theorie was en snellere, nauwkeurigere metingen van verstrengeling. We bereikten microscopische resolutie en cellulaire beeldvorming.
Hoewel er theoretisch geen limiet is aan het aantal fotonen dat met elkaar verstrengeld kan worden, verhoogt elk extra foton het momentum van het resulterende multifoton verder terwijl de golflengte verder wordt verkleind.
Toekomstig onderzoek zou meer fotonen kunnen verstrengelen, hoewel hij opmerkt dat elk extra foton de kans op succesvolle verstrengeling verder verkleint, die al zo laag is als één op een miljoen, zoals hierboven vermeld.
