La Kvantteknologi revolutionerar hur vi ser på den mikroskopiska världenDet som för några decennier sedan verkade som science fiction – att se levande celler i extrem detalj utan att skada dem, följa ljusets rörelse fångat i en kristall eller fotografera atomer en efter en – börjar bli rutin i ledande laboratorier runt om i världen.
Tack vare nya kvantmikroskop som kan övervinna de klassiska upplösningsgränsernaForskare bryter ner barriärer som har definierat gränserna för vad som är möjligt i över ett sekel. Från optisk mikroskopi av levande celler baserad på intrasslade fotoner till kvantsimulatorer av ultrakalla gaser och 4D-elektronmikroskop är det gemensamma målet tydligt: att utvinna mycket mer information med mindre ljus eller lägre strålningsdoser, och att se strukturer som tidigare var bokstavligen osynliga.
Den klassiska upplösningsgränsen och varför normalt ljus inte räcker
I ett konventionellt optiskt mikroskop, Förmågan att urskilja små detaljer begränsas av ljusets våglängd som används. Som en allmän regel kan endast strukturer vars storlek är minst ungefär hälften av den våglängden upplösas.
Detta innebär att det, med vanligt synligt ljus, finns en punkt där Du kan inte fortsätta förbättra upplösningen bara genom att lägga till mer förstoring.Vi kan komma närmare, ja, men detaljerna börjar suddas ut eftersom ljusets mycket våglika natur fungerar som ett fysiskt tak.
Ett uppenbart sätt att gå vidare är att använda ljus med kortare våglängdsåsom violett eller till och med ultraviolett (UV). Ju kortare våglängd, desto mindre detaljer kan mikroskopet urskilja. Detta har dock en viktig nackdel: dessa strålningar bär mer energi och kan skada eller döda levande celler och känsliga molekyler, något oacceptabelt inom cellbiologi, medicin eller i många högprecisionsexperiment.
Forskare har brottats med denna balans i åratal: Om ljusintensiteten minskas för att undvika att steka provet blir bilden brusig.Den förlorar kontrast och viktiga detaljer. Om intensiteten ökas för mycket eller om mycket energisk strålning används, drabbas provet av oåterkalleliga skador. Det är här kvantfysikens idéer kommer in i bilden.
Traditionell optik misslyckas när det gäller att jonglera svagt ljus, hög känslighet och extrem upplösning. I det här scenariot är användningen av noggrant förberett kvantljus, såsom par av intrasslade fotonerDet gör att vi kan kringgå några av dessa begränsningar och öppna ett helt nytt fönster till mikro- och nanovärlden.
Mellan den "läskiga" handlingen och den perfekta bilden: kvantförvirring
Ett av de mest slående fenomenen inom modern fysik är kvantsammanflätningEnligt kvantmekaniken kan två partiklar bli så intimt korrelerade att den enes tillstånd är kopplat till den andras, oavsett avståndet mellan dem. Albert Einstein beskrev detta som "spöklik handling på avstånd" eftersom det kolliderade med klassisk intuition och med vad hans egen relativitetsteori föreslog.
I mikroskopisammanhang översätts denna sammanflätning till par av intrasslade fotoner, kända som bifotonerUr ett kvantperspektiv beter sig en bifoton nästan som en enda sammansatt partikel vars momentum är ungefär dubbelt så stort som en enskild foton.
Kvantmekaniken påminner oss om att Varje partikel har också en vågliknande karaktärI detta sammanhang är våglängden omvänt proportionell mot rörelsemängd: ju större rörelsemängd, desto kortare våglängd. Detta innebär att eftersom bifotonen har ett större effektivt rörelsemängd, dess effektiva våglängd är ungefär hälften av de lösa fotoner med vilka den genererades.
Hela detta samspel mellan vågor och partiklar är intressant eftersom, om vi kan få mikroskopet att fungera som om det använde en ljus med en våglängd motsvarande hälftenVi kan se detaljer dubbelt så små utan att egentligen tillgripa mer energisk eller aggressiv strålning för cellerna.
Denna smarta användning av kvantintrassling öppnar dörren för tekniker som, genom att hålla fotoner med mjuka energier (till exempel runt 400 nanometer våglängd i det violetta området), De uppnår en upplösning som är jämförbar med ultraviolett ljus, men med en mycket kortare varaktighet., i storleksordningen 200 nanometer, men utan att förstöra provet.
Kvantkoncidentmikroskopi (QMC): fördubbling av upplösningen utan att fritera cellerna
En grupp forskare från California Institute of Technology (Caltech) har utvecklat en teknik som kallas Kvantkoincidensmikroskopi (QMC)Denna metod, som i tidskriften Nature Communications beskrivs som "kvantcellsmikroskopi vid Heisenbergs gräns", lovar att fördubbla upplösningen som kan erhållas med ett konventionellt optiskt mikroskop.
Den centrala idén med QMC är att utnyttja par av fotoner sammanflätade för att bilda bifotonerDessa bifotoner beter sig som en enda enhet med dubbelt så mycket rörelsemängd och därför en kortare effektiv våglängd. Således kan ett system som använder 400 nm ljus (på gränsen till violett) uppnå en upplösning som liknar den för 200 nm ljus (i fullt ultraviolett), samtidigt som energin som deponeras på provet hålls på en mycket mer hanterbar nivå.
Professor Lihong Wang, professor i medicinsk teknik och elektroteknik vid Caltech och huvudförfattare till detta arbete, sammanfattar det mycket grafiskt: celler "kommer inte överens" med ultraviolett ljus, men om vi belyser med 400 nm och uppnår samma upplösningseffekt som med 200 nm, Cellerna är "glada" och mikroskopet fortsätter att öka detaljrikedomen..
Denna metod löser det klassiska dilemmat i ett svep: Det är inte nödvändigt att använda extremt energiskt ljus för att se mycket små strukturer.Genom att manipulera kvantsammanflätning och hur matchningar mellan parade fotoner mäts, gör QMC-systemet det möjligt för mikroskopet att få ut mer av varje foton utan att öka potentiell skada på levande prover.
Till skillnad från traditionella mikroskop, som bara fångar detaljer i ett objekt som är jämförbart i storlek med halva våglängden av det använda ljuset, använder QMC Det låter dig se mycket mindre strukturer genom att använda mindre skadligt ljusOch dessutom gör den det med en experimentell konfiguration som, enligt dess skapare, redan är ett gångbart system och inte bara en engångsdemonstration i laboratoriet.
Så här fungerar QMC steg för steg
För att förverkliga denna idé byggde Caltech-teamet en optisk anordning där en laser lyser på en speciell kristallDenna kristall är utformad för att omvandla en liten del av infallande fotoner till sammanflätade par, bifotoner. För närvarande är effektiviteten mycket låg (i storleksordningen en per miljon fotoner), men forskare arbetar redan med att förbättra den hastigheten.
När dessa bifotoner väl har genererats, De separerar med hjälp av speglar, linser och prismorså att de två fotonerna som utgör dem följer olika vägar. En av dem passerar genom det prov vi vill observera (den kallas signalfotonen) och den andra passerar inte genom provet (den är den viloläge eller inaktiva fotonen).
Båda fotonerna fortsätter sedan sin bana genom systemets optik tills de når en detektor som är ansluten till en dator. Tricket är att datorn Den räknar inte bara enskilda fotoner, utan snarare sammanträffanden mellan de två intrasslade fotonerna.Baserat på denna information rekonstrueras bilden av provet, med utnyttjande av parets sammanflätade natur.
Det som är förvånande är att, trots att man tar separata vägar när man väl har passerat genom cellen eller en annan typ av objekt, Fotonerna bibehåller sin sammanflätning och beter sig som en bifoton. medan de detekteras. Systemet utnyttjar denna kvantkoherens så att helheten beter sig som om den hade halva våglängden.
Även om andra grupper redan lyckats ta bilder med bifotoner, hävdar Wangs team att detta är den första mikroskopiskt detaljerad uppställning som demonstrerar ett praktiskt och reproducerbart systemDe har utvecklat en rigorös teori för att beskriva processen, en snabb och noggrann metod för att mäta intrassling, och har visat dess användbarhet på verkliga biologiska prover.
Visa levande celler mer detaljerat och med mindre skada
Caltech-teamet använde sitt kvantmikroskop för att få bilder av cancercellerTack vare den förbättrade upplösningen kunde de tydligt identifiera olika interna strukturer som ett klassiskt optiskt mikroskop, med jämförbart ljus och dos, inte kunde upplösa.
Det mest slående är att Cellerna skadades eller förstördes inte under processeneftersom strålningen som användes inte var särskilt energisk. Magin ligger i hur kvantinformationen som bärs av bifotonerna utnyttjas, inte i att "bombardera" cellen med alltmer aggressiva fotoner.
Denna teknik uppfattas som ett mycket lovande framsteg inom Medicinsk avbildning och biomedicinsk forskningAtt kunna studera levande celler, vävnader eller till och med känsliga mikroorganismer med en upplösningsnivå nära den gräns som kvantfysiken sätter (den så kallade Heisenberggränsen) utan att förstöra dem öppnar dörren för tidiga diagnoser, bättre övervakning av behandlingar och en finare förståelse av kritiska biologiska processer.
Framöver överväger forskare möjligheten att använda mer än två sammanflätade fotoner att ytterligare förfina upplösningen och optimera tekniken för att minska bakgrundsbrus i samband med fotonernas interaktion med omgivningen. Varje förbättring skulle ytterligare öka kvaliteten och noggrannheten hos de erhållna bilderna.
Parallellt lägger denna utveckling grunden för tillämpningar inom områden som kvantberäkning, kryptografi eller design av nya materialdär förmågan att karakterisera strukturer på nanoskala utan att skada dem är rent guld.
Kvantgasmikroskop: frysa atomer och titta på dem en efter en
Samtidigt har framsteg gjorts i Europa på en annan kompletterande front: kvantmikroskop av ultrakalla gaser. Ett emblematiskt exempel är QUIONE, utvecklat av Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) i Castelldefels, som har presenterats i PRX Quantum magazine.
QUIONE fungerar som en "kvantsimulator" som kyler strontiumatomer till temperaturer nära absoluta nollpunktenDen organiserar dem i ett optiskt nätverk och gör att de kan observeras individuellt, nästan som om de vore ägg placerade i hålen i en kartong, fast i atomär skala.
Traditionellt sett hade kvantgasmikroskop varit baserade på alkaliatomer såsom litium eller kaliumsom är optiskt enklare att hantera. Att införliva strontium – en jordalkalimetallatom med ett mer komplext spektrum – i kvantregimen öppnar dörren för att simulera mycket mer exotiska material och faser av materia.
Schemat är följande: strontiumgasens temperatur sänks till extremt låga värden under några millisekunder, vilket får atomerna att sakta ner nästan helt och fastna i ett optiskt nätett slags "rutnät" av ljus som genereras av lasrar. Varje plats i rutnätet beter sig som en liten energibrunn där, med hög sannolikhet, en atom kommer att finnas.
Tack vare denna konfiguration har teamet kunnat få bilder atom för atom och att studera fenomen som superfluiditet, där strontiumgas flödar utan viskositet. Dessutom illustrerar dynamiken hos atomerna, som "hoppar" från en plats till en annan i gittret utan att behöva övervinna klassiska barriärer, direkt den berömda kvanttunneleffekt.
QUIONE som analog kvantprocessor och nytt materiallaboratorium
QUIONE är inte bara ett mikroskop: det är i grunden ett analog kvantprocessorGenom att justera formen på det optiska gittret, lasrarnas intensitet, interaktionerna mellan atomer och andra parametrar kan forskare "programmera" systemet till att efterlikna beteendet hos komplexa verkliga materialmen i en mycket kontrollerad miljö.
Detta gör att vi kan ta itu med svåra frågor, till exempel Varför leder vissa material elektricitet utan förlust? (supraledningsförmåga) vid relativt höga temperaturer, eller hur elektroner är organiserade i topologiska faser som fortfarande är dåligt förstådda.
Möjligheten att studera strontiumgaser med sådan precision, med hjälp av ett kvantmikroskop av denna typ, gör QUIONE ett strategiskt verktyg för utvecklingen av framtidens kvantdatorer och tillhörande tekniker. Strontium är särskilt attraktivt för att bygga ultraprecisa atomklockor och robusta kvantprocessorer, så att ha en anordning som gör att den kan manipuleras och visualiseras i skala av en enda atom är en sann vetenskaplig lyx.
Forskare som Leticia Tarruell och hennes team påpekar att Denna typ av kvantsimulering kommer att hjälpa till att reda ut extremt komplexa mikroskopiska system, som erbjuder ledtrådar om hur man designar nya material med skräddarsydda egenskaper, från förbättrade supraledare till topologiska isolatorer.
Således befinner vi oss med en familj av kvantmikroskop som inte bara visar världen, utan återskapar den i miniatyr för att bättre förstå den, något som fram tills helt nyligen verkade reserverat för teoretiska modeller.
Mycket lågintensivt kvantljus: det europeiska projektet Q-MIC
Ännu en stark satsning på Kvantmikroskopi kommer från det europeiska projektet Q-MICDetta projekt, som också till stor del leds av ICFO och samarbetspartners från Italien och Tyskland, har pågått sedan 2018 för att utveckla ett mikroskop som kan använda kvantljus med mycket låg intensitet för att få bilder med ett brett synfält, hög känslighet och bättre upplösning än klassiska mikroskop.
Q-MIC-enheten utmärker sig genom att den är specifikt utformad för belysa provet med par av intrasslade fotonerIstället för konventionellt ljus som består av många oordnade fotoner, bär varje fotonpar en utsökt korrelerad mängd information, vilket gör att mer detaljer kan extraheras med mindre total strålning.
I tillämpningar där provet är extremt känsligt – till exempel vissa proteiner, virus, molekyler eller levande vävnader – med lågintensivt ljus som inte förstör experimentet Det är viktigt. Problemet, som alltid, är att minskad intensitet ökar det relativa bruset i bilden, vilket vanligtvis gör resultatet suddigt.
Q-MIC övervinner detta hinder genom att använda interferensmönster genererade av intrasslade fotonerIstället för att bara registrera hur många fotoner som når varje pixel, detekterar kameran matchande par av fotoner som passerar genom det optiska systemet och samplar dem, och den informationen används för att rekonstruera bilden med hjälp av avancerade matematiska algoritmer.
Tack vare denna metod har forskare visat att det är möjligt minska brus och öka mätkänsligheten med mer än 25 % jämfört med klassiska tekniker, och bibehåller ljusdoser långt under de vanliga nivåerna.
Interferens, Savartplattor och bildrekonstruktion
Det optiska hjärtat i Q-MIC inkluderar en uppsättning Savart-tallrikardubbelbrytande kristaller som kan dela upp en ljusstråle i två strålar med olika polarisationer (horisontella och vertikala) som färdas längs något olika vägar, och styrande element som liknar de som används i fiberoptiska system.
När par av intrasslade fotoner passerar genom detta system, Savartplattorna De separerar sina vägar och riktar dem mot provetOm provet är helt plant och homogent förblir fotonbanorna nästan identiska. Men om det finns variationer i tjocklek, brytningsindex eller andra egenskaper genereras fasskillnader som, när strålarna rekombineras, ger upphov till komplexa interferensmönster.
Mikroskopkameran mäter inte optiska intensitetsnivåer på vanligt sätt, utan snarare registrerar fotonankomstsammanträffanden vid olika punkter i synfältet. Genom att upprepa processen många gånger ackumuleras ett tvåfotoninterferensmönster som kodar information om provets finstruktur.
Med hjälp av rekonstruktionsalgoritmer, baserade på matematiska och signalbehandlingstekniker, har forskare De omvandlar dessa mönster till detaljerade bilderutan behov av ett punkt-till-punkt-skanningssystem. Detta möjliggör täckning av relativt breda synfält med hög känslighet och god upplösning, vilket är mycket användbart för att analysera ytor och utvidgade prover.
För att verifiera förbättringen tog de en standardprov av protein A Provet placerades på ett objektglas med lika långt ifrån varandra belägna celler. Det belystes först med klassiskt ljus och sedan med kvantljus. Interferensmönster erhölls i båda fallen, och bilderna rekonstruerades. Resultatet var tydligt: med kvantljus var bilden mycket jämnare, med mindre brus och bättre definierade kanter på strukturerna.
Q-MIC-applikationer: från flexibla material till virus
Resultaten från Q-MIC, publicerade i Vetenskap FörskottDe gör det tydligt att denna kvantbelysningsstrategi inte bara är en teoretisk kuriositet. De förväntade tillämpningarna inkluderar så varierande områden som... Materialvetenskap , analys av transparenta ytor för flexibel elektronik eller inspektion av ömtåliga beläggningar.
Dessutom deras förmåga att arbeta med små ljusdoser Detta gör den till en idealisk kandidat för att studera ultrakänsliga mikroorganismer, såsom vissa virus, och molekyler som lätt bryts ner i intensivt ljus. Dess tillämpning är också tänkt för områden av kvantkryptografi och säker kommunikationdär finkontroll av intrasslade fotoner är nyckeln.
Q-MIC-mikroskopet visar att vi, genom att utnyttja sammanflätning på rätt sätt, kan förbättra kvaliteten på informationen som extraheras av varje fotonminskar brus och ökar noggrannheten utan att behöva öka ljusdosen.
Parallellt med Caltechs QMC-liknande tekniker förstärker Q-MIC idén att Nästa stora revolution inom mikroskopi ligger inom kvantoptikinte bara genom att bygga större måltavlor eller kraftfullare lasrar.
4D-kvantelektronmikroskopi: att se ljus fångat i fotoniska kristaller
Kvantrevolutionen inom avbildning är inte begränsad till synligt ljus eller ultrakalla gaser. I Israel har forskare från Technion – Instituto Tecnológico de Israel De har utvecklat en ultrasnabbt 4D-elektronmikroskop vilket möjliggör direkt observation av ljusflödet som är fångat inuti fotoniska kristaller, något som hittills bara kunnat studeras genom datorsimuleringar.
Detta system, som först beskrevs i tidskriften Nature, anses vara ett av de världens mest avancerade optiska närfältsmikroskopäven om dess tekniska kärna är baserad på ett ultrasnabbt transmissionselektronmikroskop med unika funktioner.
Teamet lett av professor Ido Kaminer har skapat en experimentell plattform där Ultrakorta ljuspulser (i storleksordningen mindre än 100 femtosekunder) exciterar provet Elektronpulser, accelererade till spänningar mellan 40 kV och 200 kV, undersöker det för att fånga dess övergående tillstånd. Med andra ord "belyses" och "fotograferas" provet med elektroner med otroligt korta tidsintervall.
Med den här konfigurationen är det möjligt kartlägga interaktionerna mellan ljus inneslutet i nanomaterial (såsom fotoniska kristaller) och fria elektroner, åtkomst till information om dynamiken hos optiska fält med oöverträffad rumslig och tidsmässig upplösning.
Det praktiska resultatet är att forskare för första gången kan direkt observera hur ljus beter sig när det fångas och styrs i fotoniska strukturerIstället för att behöva härleda det enbart från modeller och simuleringar öppnar detta upp ett nytt område för att designa kvantmaterial och fotoniska enheter med optimerade egenskaper, till exempel för att lagra kvantbitar (qubits) med större stabilitet.
Fria elektronvågpaket och nya kvantfenomen
Bakom detta framsteg ligger fysiken hos ultrasnabba interaktioner mellan fria elektroner och ljusTraditionellt har kvantelektrodynamik (QED) studerat hur kvantmateria – atomer, kvantprickar, supraledande kretsar etc. – interagerar med ljusmoder inneslutna i kaviteter. Det är den konceptuella grunden för många nuvarande kvantteknologier.
Men i dessa system elektroner är bundna och deras energitillstånd, spektralområde och selektionsregler är mycket begränsade. Nyligen genomförda framsteg har fokuserat på en annan entitet: kvantvågspaket av fria elektronerTill skillnad från bundna elektroner kan dessa paket spänna över ett brett energiområde och utforska mycket mer varierade interaktioner.
Problemet var att, trots flera teoretiska förutsägelser om fascinerande effekter i fotoniska hålrum för fria elektroner, Ingen hade kunnat observera dessa fenomen med säkerhet, på grund av grundläggande begränsningar i styrkan och varaktigheten av växelverkan mellan elektroner och begränsat ljus.
Technions mikroskop övervinner detta hinder och gör det möjligt att registrera optiska kartor i närområdet direkt med hjälp av elektronernas kvantnaturEtt viktigt bevis är observationen av Rabi-typ-oscillationer i det elektroniska spektrumet, ett beteende som inte kan förklaras med rent klassiska teorier.
De mer effektiva fotonfria elektroninteraktionerna som utforskas med detta system skulle kunna leda till starka kopplingar, fotonsyntes i speciella kvanttillstånd och ickelinjära fenomen utan motstycke. Allt detta skulle gynna både elektronmikroskopi (till exempel för att arbeta med låga doser på känsliga material) och andra områden inom fri elektronfysik.
Dessutom kommer den kunskap som förvärvas att bidra till att Förbättra skärpa och färgkontrast på nuvarande skärmar, såsom de som är baserade på QLED-teknik (kvantprickar), och som redan designar mer enhetliga nano-/kvantmaterial som möjliggör ännu bättre bildupplösning.
Sammantaget ger summan av dessa forskningsinriktningar – QMC vid Caltech, Q-MIC i Europa, QUIONE och Technions 4D-mikroskop – en bild där Mikroskopi blir en djupt kvantvetenskaplig disciplinkapabla att visa, kontrollera och till och med simulera materia i skalor som tidigare bara var en teoretisk dröm.
Hela detta ekosystem av nya kvantmikroskop Detta markerar en vändpunkt: det handlar inte längre bara om att se i mindre skala, utan om att se annorlunda, att utnyttja fenomen som sammanflätning, tunneling, koherens och interferens från flera partiklar för att extrahera information som var ofattbar för några decennier sedan. Allt eftersom dessa teknologier mognar och går bortom laboratoriet förväntas de förändra medicin, elektronik, materialvetenskap och, mer allmänt, vår förståelse av verklighetens innersta nivåer.
