La Công nghệ lượng tử đang cách mạng hóa cách chúng ta nhìn nhận thế giới vi mô.Những điều mà vài thập kỷ trước dường như chỉ là khoa học viễn tưởng - quan sát các tế bào sống với độ chi tiết cực cao mà không làm tổn hại chúng, theo dõi sự chuyển động của ánh sáng bị giữ lại trong tinh thể, hoặc chụp ảnh từng nguyên tử một - đang dần trở thành chuyện thường tình tại các phòng thí nghiệm hàng đầu trên thế giới.
Nhờ có những tính năng mới. Kính hiển vi lượng tử có khả năng vượt qua giới hạn độ phân giải cổ điển.Các nhà khoa học đang phá vỡ những rào cản đã định hình giới hạn của những điều khả thi trong hơn một thế kỷ qua. Từ kính hiển vi quang học quan sát tế bào sống dựa trên các photon vướng víu đến các bộ mô phỏng lượng tử của khí siêu lạnh và kính hiển vi điện tử 4D, mục tiêu chung rất rõ ràng: thu thập được nhiều thông tin hơn với ít ánh sáng hơn hoặc liều lượng bức xạ thấp hơn, và nhìn thấy các cấu trúc trước đây hoàn toàn vô hình.
Giới hạn độ phân giải kinh điển và lý do tại sao ánh sáng thông thường không đủ
Trong kính hiển vi quang học thông thường, Khả năng phân biệt các chi tiết nhỏ bị hạn chế bởi bước sóng của ánh sáng. đó được sử dụng. Theo nguyên tắc chung, chỉ những cấu trúc có kích thước ít nhất xấp xỉ một nửa bước sóng đó mới có thể được phân giải.
Điều này ngụ ý rằng, khi sử dụng ánh sáng nhìn thấy tiêu chuẩn, có một điểm mà tại đó Bạn không thể liên tục cải thiện độ phân giải chỉ bằng cách tăng độ phóng đại.Chúng ta có thể tiến lại gần hơn, đúng vậy, nhưng các chi tiết bắt đầu trở nên mờ nhạt vì bản chất dạng sóng của ánh sáng đóng vai trò như một giới hạn vật lý.
Một cách rõ ràng để tiến xa hơn là sử dụng ánh sáng có bước sóng ngắn hơnVí dụ như màu tím hoặc thậm chí tia cực tím (UV). Bước sóng càng ngắn, kính hiển vi càng có thể phân biệt được các chi tiết nhỏ hơn. Tuy nhiên, điều này đi kèm với một nhược điểm quan trọng: các bức xạ này mang nhiều năng lượng hơn và có thể làm tổn thương hoặc tiêu diệt các tế bào sống và các phân tử nhạy cảm.Điều này là không thể chấp nhận được trong sinh học tế bào, y học, hoặc trong nhiều thí nghiệm đòi hỏi độ chính xác cao.
Các nhà nghiên cứu đã phải vật lộn với sự cân bằng này trong nhiều năm: Nếu giảm cường độ ánh sáng để tránh làm cháy mẫu vật, hình ảnh sẽ bị nhiễu.Nó làm mất độ tương phản và các chi tiết quan trọng. Nếu cường độ tăng quá cao hoặc sử dụng bức xạ có năng lượng rất cao, mẫu vật sẽ bị hư hại không thể phục hồi. Đây là lúc các ý tưởng của vật lý lượng tử phát huy tác dụng.
Các hệ thống quang học truyền thống không đáp ứng được yêu cầu khi phải xử lý đồng thời các vấn đề như ánh sáng yếu, độ nhạy cao và độ phân giải cực cao. Trong trường hợp này, việc sử dụng... ánh sáng lượng tử được chuẩn bị cẩn thận, chẳng hạn như các cặp photon vướng víu.Điều này cho phép chúng ta vượt qua một số hạn chế đó và mở ra một cánh cửa hoàn toàn mới đến thế giới vi mô và nano.
Giữa hành động "rùng rợn" và hình ảnh hoàn hảo: sự vướng víu lượng tử.
Một trong những hiện tượng nổi bật nhất trong vật lý hiện đại là... rối lượng tửTheo cơ học lượng tử, hai hạt có thể trở nên tương quan mật thiết đến mức trạng thái của hạt này liên kết với trạng thái của hạt kia, bất kể khoảng cách giữa chúng. Albert Einstein đã mô tả điều này là "tác động ma quái từ xa" vì nó mâu thuẫn với trực giác cổ điển và với những gì thuyết tương đối của chính ông đề xuất.
Trong bối cảnh kính hiển vi, sự liên kết này được thể hiện như sau: các cặp photon vướng víu, được gọi là photon đôi.Từ quan điểm lượng tử, một cặp photon hoạt động gần giống như một hạt phức hợp duy nhất có động lượng xấp xỉ gấp đôi so với một photon đơn lẻ.
Cơ học lượng tử nhắc nhở chúng ta rằng Mỗi hạt cũng có đặc tính giống như sóng.Trong ngữ cảnh này, bước sóng tỷ lệ nghịch với động lượng: động lượng càng lớn, bước sóng càng ngắn. Điều này có nghĩa là, vì photon kép có động lượng hiệu dụng lớn hơn, Bước sóng hiệu dụng của nó xấp xỉ một nửa. trong số các photon rời rạc tạo nên nó.
Toàn bộ sự tương tác giữa sóng và hạt này rất thú vị bởi vì, nếu chúng ta có thể làm cho kính hiển vi hoạt động như thể nó đang sử dụng một ánh sáng có bước sóng tương đương với một nửaChúng ta có thể quan sát được các chi tiết nhỏ gấp đôi mà không cần phải sử dụng đến bức xạ mạnh hơn hoặc tác động mạnh hơn lên tế bào.
Việc sử dụng khéo léo hiện tượng vướng lượng tử này mở ra cánh cửa cho các kỹ thuật mà bằng cách giữ các photon có năng lượng thấp (ví dụ, bước sóng khoảng 400 nanomet trong dải màu tím), Chúng đạt được độ phân giải tương đương với ánh sáng cực tím, nhưng với thời gian ngắn hơn nhiều.ở mức khoảng 200 nanomet, nhưng không làm hỏng mẫu vật.
Kính hiển vi trùng hợp lượng tử (QMC): tăng gấp đôi độ phân giải mà không làm hỏng tế bào
Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ California (Caltech) đã phát triển một kỹ thuật gọi là Kính hiển vi trùng hợp lượng tử (QMC)Phương pháp này, được mô tả trong tạp chí Nature Communications là "kính hiển vi tế bào lượng tử ở giới hạn Heisenberg", hứa hẹn sẽ tăng gấp đôi độ phân giải có thể đạt được với kính hiển vi quang học thông thường.
Ý tưởng cốt lõi của QMC là tận dụng Các cặp photon đan xen vào nhau tạo thành các photon kép.Các photon kép này hoạt động như một thực thể duy nhất với động lượng gấp đôi và do đó, có bước sóng hiệu dụng ngắn hơn. Vì vậy, một hệ thống sử dụng ánh sáng 400 nm (ở rìa màu tím) có thể đạt được độ phân giải tương tự như ánh sáng 200 nm (trong toàn bộ vùng cực tím), đồng thời giữ cho năng lượng truyền vào mẫu ở mức dễ kiểm soát hơn nhiều.
Giáo viên Lệ Hồng VươngGiáo sư Kỹ thuật Y sinh và Kỹ thuật Điện tại Caltech, đồng thời là tác giả chính của công trình này, đã tóm tắt rất sinh động như sau: tế bào “không tương thích” với tia cực tím, nhưng nếu chúng ta chiếu sáng bằng tia 400 nm và đạt được hiệu quả phân giải tương tự như với tia 200 nm, Các tế bào đang "khỏe mạnh" và hình ảnh hiển vi ngày càng rõ nét hơn..
Cách tiếp cận này giải quyết vấn đề nan giải kinh điển chỉ trong một lần: Không cần thiết phải sử dụng ánh sáng có năng lượng cực cao để nhìn thấy các cấu trúc rất nhỏ.Bằng cách điều khiển sự vướng víu lượng tử và cách đo lường sự phù hợp giữa các cặp photon, hệ thống QMC cho phép kính hiển vi tận dụng tối đa mỗi photon mà không làm tăng nguy cơ gây hại cho các mẫu vật sống.
Không giống như kính hiển vi truyền thống, chỉ thu được chi tiết của một vật thể có kích thước tương đương với một nửa bước sóng của ánh sáng được sử dụng, QMC Nó cho phép bạn quan sát các cấu trúc nhỏ hơn nhiều bằng cách sử dụng ánh sáng ít gây hại hơn.Hơn nữa, nó thực hiện điều đó với một cấu hình thử nghiệm mà theo những người tạo ra nó, đã là một hệ thống khả thi chứ không chỉ là một cuộc trình diễn trong phòng thí nghiệm nhất thời.
Quy trình hoạt động của QMC được giải thích từng bước một.
Để hiện thực hóa ý tưởng này, nhóm nghiên cứu tại Caltech đã xây dựng một... thiết bị quang học trong đó tia laser chiếu vào một tinh thể đặc biệt.Tinh thể này được thiết kế để chuyển đổi một phần nhỏ các photon tới thành các cặp photon vướng víu, hay còn gọi là biphoton. Hiện tại, hiệu suất rất thấp (khoảng một trên một triệu photon), nhưng các nhà nghiên cứu đang nỗ lực cải thiện tỷ lệ này.
Sau khi được tạo ra, các photon kép này Chúng tách các vật thể bằng cách sử dụng gương, thấu kính và lăng kính.Vì vậy, hai photon tạo nên chúng đi theo những con đường khác nhau. Một trong số chúng đi xuyên qua mẫu vật mà chúng ta muốn quan sát (nó được gọi là photon tín hiệu) và photon còn lại không đi xuyên qua mẫu vật (nó là photon nhàn rỗi hoặc không hoạt động).
Cả hai photon sau đó tiếp tục hành trình của chúng qua hệ thống quang học cho đến khi đến được bộ детектор được kết nối với máy tính. Điểm mấu chốt là máy tính Nó không chỉ đơn thuần đếm từng photon riêng lẻ, mà còn đếm sự trùng hợp giữa hai photon vướng víu với nhau.Dựa trên thông tin này, hình ảnh của mẫu vật được tái tạo, tận dụng tính chất đan xen của cặp đôi.
Điều đáng ngạc nhiên là, mặc dù mỗi người sẽ đi theo những con đường riêng biệt sau khi đã đi qua buồng giam hoặc một loại vật thể khác, Các photon duy trì trạng thái vướng víu lượng tử và hoạt động như một cặp photon. trong khi chúng đang được phát hiện. Hệ thống tận dụng tính mạch lạc lượng tử này để toàn bộ hệ thống hoạt động như thể nó có một nửa bước sóng.
Mặc dù các nhóm khác đã thành công trong việc thu được hình ảnh bằng photon kép, nhóm của Wang khẳng định đây là lần đầu tiên. Mô hình thiết lập chi tiết ở cấp độ hiển vi, minh họa một hệ thống thực tiễn và có thể tái tạo.Họ đã phát triển một lý thuyết chặt chẽ để mô tả quá trình này, một phương pháp nhanh chóng và chính xác để đo độ vướng mắc, và đã chứng minh tính hữu ích của nó trên các mẫu sinh học thực tế.
Quan sát các tế bào sống chi tiết hơn và ít gây tổn hại hơn.
Nhóm nghiên cứu tại Caltech đã sử dụng kính hiển vi lượng tử của mình để thu được hình ảnh tế bào ung thưNhờ độ phân giải được cải thiện, họ đã có thể xác định rõ ràng nhiều cấu trúc bên trong mà kính hiển vi quang học cổ điển, với lượng ánh sáng và liều lượng tương đương, không thể phân giải được.
Điều nổi bật nhất là Các tế bào không bị tổn thương hoặc phá hủy trong suốt quá trình này.Bởi vì bức xạ được sử dụng không quá mạnh. Điều kỳ diệu nằm ở cách thức khai thác thông tin lượng tử do các photon kép mang theo, chứ không phải ở việc "bắn phá" tế bào bằng các photon ngày càng mạnh.
Kỹ thuật này được xem là một bước tiến rất triển vọng trong Hình ảnh y tế và nghiên cứu y sinhViệc có thể nghiên cứu các tế bào sống, mô, hoặc thậm chí cả các vi sinh vật mỏng manh với độ phân giải gần bằng giới hạn do vật lý lượng tử đặt ra (còn gọi là giới hạn Heisenberg) mà không phá hủy chúng, mở ra cánh cửa cho việc chẩn đoán sớm, theo dõi điều trị tốt hơn và hiểu biết sâu sắc hơn về các quá trình sinh học quan trọng.
Nhìn về phía trước, các nhà nghiên cứu đang xem xét khả năng sử dụng nhiều hơn hai photon vướng víu Tiếp tục tinh chỉnh độ phân giải và tối ưu hóa công nghệ để giảm nhiễu nền liên quan đến sự tương tác của photon với môi trường. Mỗi cải tiến sẽ giúp nâng cao hơn nữa chất lượng và độ chính xác của hình ảnh thu được.
Song song đó, sự phát triển này đặt nền tảng cho các ứng dụng trong các lĩnh vực như... Điện toán lượng tử, mật mã học, hoặc thiết kế vật liệu mớiTrong đó, khả năng mô tả cấu trúc ở cấp độ nano mà không làm hư hại chúng là vô cùng quý giá.
Kính hiển vi khí lượng tử: đóng băng các nguyên tử và quan sát chúng từng cái một.
Trong khi đó, tại châu Âu, đã có những tiến bộ trên một mặt trận bổ sung khác: kính hiển vi lượng tử của khí siêu lạnh. Một ví dụ điển hình là QUIONE, được phát triển bởi Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) ở Castelldefels, được trình bày trên tạp chí PRX Quantum.
QUIONE hoạt động như một “Máy mô phỏng lượng tử” làm lạnh các nguyên tử stronti đến nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối.Nó sắp xếp chúng thành một mạng lưới quang học và cho phép quan sát từng quả một, gần giống như thể chúng là những quả trứng được đặt trong các lỗ của một hộp đựng, nhưng ở quy mô nguyên tử.
Theo truyền thống, kính hiển vi khí lượng tử được chế tạo dựa trên... các nguyên tử kiềm như liti hoặc kaliNhững nguyên tố này dễ xử lý hơn về mặt quang học. Việc đưa stronti—một nguyên tử kiềm thổ có quang phổ phức tạp hơn—vào lĩnh vực lượng tử mở ra cánh cửa cho việc mô phỏng nhiều vật liệu và trạng thái vật chất kỳ lạ hơn.
Phương pháp thực hiện như sau: nhiệt độ của khí stronti được giảm xuống mức cực thấp trong vài mili giây, khiến các nguyên tử bị... giảm tốc độ gần như hoàn toàn và bị mắc kẹt trong một mạng lưới quang học.Một dạng "lưới" ánh sáng được tạo ra bởi tia laser. Mỗi vị trí trong lưới hoạt động như một giếng năng lượng nhỏ, nơi có xác suất cao một nguyên tử sẽ cư trú.
Nhờ cấu hình này, nhóm đã có thể thu được hình ảnh từng nguyên tử và để nghiên cứu các hiện tượng như siêu dẫn, trong đó khí stronti chảy mà không có độ nhớt. Hơn nữa, động lực học của các nguyên tử, "nhảy" từ vị trí này sang vị trí khác trong mạng tinh thể mà không cần vượt qua các rào cản cổ điển, minh họa trực tiếp cho lý thuyết nổi tiếng. hiệu ứng xuyên hầm lượng tử.
QUIONE với vai trò là bộ xử lý lượng tử tương tự và phòng thí nghiệm vật liệu mới.
QUIONE không chỉ là một kính hiển vi: về bản chất, nó là một... bộ xử lý lượng tử tương tựBằng cách điều chỉnh hình dạng của mạng tinh thể quang học, cường độ của tia laser, tương tác giữa các nguyên tử và các thông số khác, các nhà nghiên cứu có thể “lập trình” hệ thống để hoạt động. mô phỏng hành vi của các vật liệu thực phức tạpnhưng trong một môi trường được kiểm soát chặt chẽ.
Điều này cho phép chúng ta giải quyết những câu hỏi khó, ví dụ như, Tại sao một số vật liệu dẫn điện mà không bị mất điện năng? (Hiện tượng siêu dẫn) ở nhiệt độ tương đối cao, hoặc cách các electron được sắp xếp thành các pha tôpô mà chúng ta vẫn chưa hiểu rõ.
Khả năng nghiên cứu khí stronti với độ chính xác cao như vậy, bằng cách sử dụng kính hiển vi lượng tử loại này, khiến QUIONE trở nên quan trọng. một công cụ chiến lược cho sự phát triển của máy tính lượng tử trong tương lai và các công nghệ liên quan. Strontium đặc biệt hấp dẫn để chế tạo đồng hồ nguyên tử siêu chính xác và bộ xử lý lượng tử mạnh mẽ, vì vậy việc sở hữu một thiết bị cho phép thao tác và hình dung nó ở quy mô của một nguyên tử duy nhất thực sự là một điều xa xỉ trong khoa học.
Các nhà nghiên cứu như Leticia Tarruell và nhóm của bà chỉ ra rằng Loại mô phỏng lượng tử này sẽ giúp làm sáng tỏ các hệ thống vi mô cực kỳ phức tạp., cung cấp manh mối về cách thiết kế các vật liệu mới với các đặc tính được điều chỉnh phù hợp, từ các chất siêu dẫn được cải tiến đến các chất cách điện tôpô học.
Như vậy, chúng ta có một nhóm kính hiển vi lượng tử không chỉ cho thấy thế giới mà còn tái tạo nó ở dạng thu nhỏ để hiểu rõ hơn về nó, điều mà cho đến gần đây dường như chỉ dành cho các mô hình lý thuyết.
Ánh sáng lượng tử cường độ rất thấp: dự án Q-MIC của châu Âu
Một lựa chọn đặt cược mạnh mẽ khác vào... Kính hiển vi lượng tử xuất phát từ dự án Q-MIC của châu Âu.Dự án này, chủ yếu do ICFO và các cộng tác viên từ Ý và Đức dẫn đầu, đã được tiến hành từ năm 2018 nhằm phát triển một kính hiển vi có khả năng sử dụng ánh sáng lượng tử cường độ rất thấp để thu được hình ảnh với trường nhìn rộng, độ nhạy cao và độ phân giải tốt hơn so với kính hiển vi cổ điển.
Thiết bị Q-MIC nổi bật bởi vì nó được thiết kế đặc biệt dành cho chiếu sáng mẫu vật bằng các cặp photon vướng víuThay vì ánh sáng thông thường được tạo thành từ nhiều photon hỗn loạn, mỗi cặp photon mang một lượng thông tin tương quan chặt chẽ, cho phép thu được nhiều chi tiết hơn với tổng lượng bức xạ ít hơn.
Trong các ứng dụng mà mẫu vật cực kỳ nhạy cảm—ví dụ như một số loại protein, virus, phân tử hoặc mô sống—việc có ánh sáng cường độ thấp, không làm hỏng thí nghiệm. Điều đó rất cần thiết. Vấn đề, như mọi khi, là việc giảm cường độ sẽ làm tăng nhiễu tương đối trong ảnh, thường dẫn đến kết quả bị mờ.
Q-MIC khắc phục trở ngại này bằng cách sử dụng Các mô hình giao thoa được tạo ra bởi các photon vướng víuThay vì chỉ ghi lại số lượng photon chiếu tới từng pixel, camera phát hiện các cặp photon khớp nhau đi qua hệ thống quang học và lấy mẫu chúng, thông tin đó được sử dụng để tái tạo hình ảnh bằng các thuật toán toán học tiên tiến.
Nhờ phương pháp này, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng điều đó là có thể. Giảm nhiễu và tăng độ nhạy của phép đo lên hơn 25% so với các kỹ thuật cổ điển., duy trì liều lượng ánh sáng thấp hơn nhiều so với mức thông thường.
Hiện tượng giao thoa, tấm Savart và tái tạo hình ảnh
Bộ phận quang học cốt lõi của Q-MIC bao gồm một tập hợp các thành phần sau: Đĩa SavartCác tinh thể lưỡng chiết có khả năng tách một chùm ánh sáng thành hai chùm có độ phân cực khác nhau (ngang và dọc) đi theo các đường hơi khác nhau, và các phần tử dẫn hướng tương tự như những phần tử được sử dụng trong hệ thống cáp quang.
Khi các cặp photon vướng víu đi qua hệ thống này, các tấm Savart sẽ hoạt động. Họ tách riêng các đường đi và hướng chúng về phía mẫu vật.Nếu mẫu vật hoàn toàn phẳng và đồng nhất, đường đi của các photon sẽ gần như giống hệt nhau. Nhưng nếu có sự thay đổi về độ dày, chiết suất hoặc các đặc tính khác, sẽ tạo ra sự khác biệt về pha, khi các chùm tia kết hợp lại sẽ tạo ra các mô hình giao thoa phức tạp.
Camera của kính hiển vi không đo mức cường độ quang học theo cách thông thường, mà thay vào đó... ghi lại sự trùng hợp thời điểm đến của photon tại các điểm khác nhau trong trường quan sát. Bằng cách lặp lại quá trình nhiều lần, một mô hình giao thoa hai photon tích lũy, mã hóa thông tin về cấu trúc tinh tế của mẫu vật.
Với sự trợ giúp của các thuật toán tái tạo, dựa trên các kỹ thuật toán học và xử lý tín hiệu, các nhà khoa học Họ chuyển đổi những mẫu đó thành những hình ảnh chi tiết.Không cần đến hệ thống quét điểm-điểm. Điều này cho phép bao phủ các trường nhìn tương đối rộng với độ nhạy cao và độ phân giải tốt, rất hữu ích cho việc phân tích bề mặt và các mẫu vật có kích thước lớn.
Để kiểm chứng sự cải thiện, họ đã thực hiện một thử nghiệm. mẫu chuẩn của protein A Mẫu vật được đặt trên một phiến kính có các ô cách đều nhau. Đầu tiên, mẫu được chiếu sáng bằng ánh sáng cổ điển, sau đó bằng ánh sáng lượng tử. Các mẫu giao thoa được thu được trong cả hai trường hợp, và hình ảnh được tái tạo. Kết quả rất rõ ràng: với ánh sáng lượng tử, hình ảnh mượt mà hơn nhiều, ít nhiễu hơn và các cạnh của cấu trúc được xác định rõ nét hơn.
Ứng dụng của Q-MIC: từ vật liệu dẻo đến virus
Kết quả của Q-MIC, được công bố trong Những tiến bộ khoa họcHọ khẳng định rõ ràng rằng chiến lược chiếu sáng lượng tử này không chỉ là một sự tò mò lý thuyết. Các ứng dụng dự kiến bao gồm nhiều lĩnh vực đa dạng như... Khoa học vật liệu, phân tích bề mặt trong suốt cho điện tử linh hoạt hoặc việc kiểm tra các lớp phủ mỏng manh.
Hơn nữa, khả năng làm việc của họ với liều lượng ánh sáng nhỏ Điều này khiến nó trở thành ứng cử viên lý tưởng để nghiên cứu các vi sinh vật siêu nhạy cảm, chẳng hạn như một số loại virus, và các phân tử dễ bị phân hủy dưới ánh sáng mạnh. Ứng dụng của nó cũng được dự kiến trong các lĩnh vực khác. mật mã lượng tử và truyền thông an toàntrong đó việc kiểm soát chính xác các photon vướng víu là điều then chốt.
Kính hiển vi Q-MIC chứng minh rằng, bằng cách khai thác đúng cách hiện tượng vướng víu lượng tử, chúng ta có thể cải thiện chất lượng thông tin được trích xuất từ mỗi photonGiảm nhiễu và tăng độ chính xác mà không cần tăng liều lượng ánh sáng.
Song song với các kỹ thuật kiểu QMC của Caltech, Q-MIC củng cố ý tưởng rằng Cuộc cách mạng vĩ đại tiếp theo trong lĩnh vực kính hiển vi nằm ở quang học lượng tử.không chỉ bằng cách chế tạo các mục tiêu lớn hơn hoặc laser mạnh hơn.
Kính hiển vi điện tử lượng tử 4D: quan sát ánh sáng bị giữ lại trong tinh thể quang tử
Cuộc cách mạng lượng tử trong lĩnh vực hình ảnh không chỉ giới hạn ở ánh sáng nhìn thấy được hay khí siêu lạnh. Tại Israel, các nhà nghiên cứu từ... Technion – Viện Công nghệ Israel Họ đã phát triển một kính hiển vi điện tử 4D siêu nhanh Điều này cho phép quan sát trực tiếp dòng chảy của ánh sáng bị giữ lại bên trong các tinh thể quang tử, điều mà cho đến nay chỉ có thể được nghiên cứu thông qua mô phỏng máy tính.
Hệ thống này, lần đầu tiên được mô tả trên tạp chí Nature, được coi là một trong những hệ thống kính hiển vi quang học trường gần tiên tiến nhất thế giớimặc dù cốt lõi công nghệ của nó dựa trên kính hiển vi điện tử truyền dẫn siêu nhanh với những khả năng độc đáo.
Nhóm nghiên cứu do Giáo sư dẫn đầu Ido Kamer đã tạo ra một nền tảng thử nghiệm trong đó Các xung ánh sáng cực ngắn (khoảng dưới 100 femtogiây) kích thích mẫu vật. Các xung electron, được gia tốc đến điện áp từ 40 kV đến 200 kV, sẽ thăm dò mẫu để ghi lại trạng thái tạm thời của nó. Nói cách khác, mẫu được "chiếu sáng" và "chụp ảnh" bằng electron trong khoảng thời gian cực ngắn.
Với cấu hình này, điều đó là có thể Nghiên cứu sự tương tác giữa ánh sáng bị giam giữ trong vật liệu nano (như tinh thể quang tử) và các electron tự do., truy cập thông tin về động lực học của các trường quang học với độ phân giải không gian và thời gian chưa từng có.
Kết quả thực tiễn là, lần đầu tiên, các nhà khoa học có thể Quan sát trực tiếp cách ánh sáng hoạt động khi bị giữ lại và dẫn hướng trong các cấu trúc quang tử.Thay vì phải suy luận hoàn toàn từ các mô hình và mô phỏng, điều này mở ra một lĩnh vực mới để thiết kế vật liệu lượng tử và thiết bị quang tử với các đặc tính được tối ưu hóa, ví dụ, để lưu trữ các bit lượng tử (qubit) với độ ổn định cao hơn.
Các gói sóng electron tự do và các hiện tượng lượng tử mới
Nền tảng của bước tiến này là các nguyên lý vật lý của... tương tác cực nhanh giữa các electron tự do và ánh sángTheo truyền thống, điện động lực học lượng tử (QED) nghiên cứu cách vật chất lượng tử—nguyên tử, chấm lượng tử, mạch siêu dẫn, v.v.—tương tác với các chế độ ánh sáng bị giam hãm trong các hốc. Đây là nền tảng khái niệm của nhiều công nghệ lượng tử hiện nay.
Tuy nhiên, trong các hệ thống đó các electron bị ràng buộc và trạng thái năng lượng, phạm vi quang phổ và quy tắc lựa chọn của chúng bị hạn chế rất nhiều. Những tiến bộ gần đây đã tập trung vào một thực thể khác: các gói sóng lượng tử của các electron tự doKhông giống như các electron liên kết, các gói năng lượng này có thể trải rộng trên một phạm vi năng lượng lớn và khám phá nhiều tương tác đa dạng hơn.
Vấn đề là, mặc dù có nhiều dự đoán lý thuyết về các hiệu ứng hấp dẫn trong các khoang quang tử đối với các electron tự do, Cho đến nay, chưa ai có thể quan sát được những hiện tượng này một cách chắc chắn., do những hạn chế cơ bản về cường độ và thời gian tương tác giữa các electron và ánh sáng bị giam giữ.
Kính hiển vi Technion khắc phục được trở ngại này, cho phép Ghi lại bản đồ quang học trường gần bằng cách sử dụng trực tiếp bản chất lượng tử của electron.Một bằng chứng quan trọng là sự quan sát các dao động kiểu Rabi trong phổ điện tử, một hiện tượng không thể giải thích bằng các lý thuyết cổ điển thuần túy.
Việc nghiên cứu tương tác điện tử không cần photon hiệu quả hơn với hệ thống này có thể dẫn đến... các liên kết mạnh, tổng hợp photon trong các trạng thái lượng tử đặc biệt và các hiện tượng phi tuyến tính Chưa từng có tiền lệ. Tất cả những điều này sẽ mang lại lợi ích cho cả kính hiển vi điện tử (ví dụ, để làm việc với liều lượng thấp trên các vật liệu nhạy cảm) và các lĩnh vực khác của vật lý điện tử tự do.
Hơn nữa, kiến thức thu được sẽ giúp ích cho Cải thiện độ sắc nét và độ tương phản màu sắc trên các màn hình hiện có.Ví dụ như những công nghệ dựa trên QLED (chấm lượng tử), hiện đang thiết kế các vật liệu nano/lượng tử đồng nhất hơn, cho phép độ nét hình ảnh cao hơn nữa.
Tổng hợp lại, sự kết hợp của các hướng nghiên cứu này—QMC tại Caltech, Q-MIC ở châu Âu, QUIONE và kính hiển vi 4D của Technion—tạo nên một bức tranh trong đó... Kính hiển vi trở thành một ngành khoa học lượng tử sâu sắc.Có khả năng hiển thị, điều khiển và thậm chí mô phỏng vật chất ở quy mô mà trước đây chỉ là một giấc mơ lý thuyết.
Toàn bộ hệ sinh thái này kính hiển vi lượng tử mới Điều này đánh dấu một bước ngoặt: vấn đề không còn đơn thuần là nhìn thấy những vật thể nhỏ hơn, mà là nhìn thấy theo một cách khác, khai thác các hiện tượng như vướng víu lượng tử, xuyên hầm lượng tử, tính mạch lạc và nhiễu đa hạt để trích xuất thông tin mà vài thập kỷ trước đây không thể tưởng tượng nổi. Khi các công nghệ này trưởng thành và vượt ra khỏi phạm vi phòng thí nghiệm, chúng được kỳ vọng sẽ làm thay đổi y học, điện tử, khoa học vật liệu và, rộng hơn, sự hiểu biết của chúng ta về những tầng sâu thẳm nhất của thực tại.
