Mikroskopia kwantowa

Mikroskopia kwantowa umożliwia pomiar i obrazowanie mikroskopijnych właściwości materii i cząstek kwantowych. Różne typy mikroskopii wykorzystują zasady kwantowe. Pierwszym mikroskopem, który to zrobił, był skaningowy mikroskop tunelowy , co utorowało drogę rozwojowi mikroskopu fotojonizacyjnego i mikroskopu splątania kwantowego.

Skanowanie tunelowania

Skaningowy mikroskop tunelowy (STM) wykorzystuje koncepcję tunelowania kwantowego do bezpośredniego obrazowania atomów. STM można wykorzystać do badania trójwymiarowej struktury próbki poprzez skanowanie powierzchni ostrą, metalową, przewodzącą końcówką blisko próbki. Takie środowisko sprzyja tunelowaniu kwantowemu: efektowi mechaniki kwantowej, który występuje, gdy elektrony przemieszczają się przez barierę ze względu na ich właściwości falowe. Tunelowanie zależy od grubości bariery; równanie Schrödingera daje prawdopodobieństwo, że cząstka zostanie wykryta po drugiej stronie i, w przypadku wystarczająco cienkiej bariery, przewiduje, że część elektronów ją przekroczy. Powoduje to wytworzenie prądu w tunelu. Liczba elektronów, które tunelują, zależy od grubości bariery, dlatego też prąd płynący przez barierę zależy również od tej grubości. Odległość pomiędzy końcówką a próbką wpływa na prąd mierzony przez końcówkę. Końcówkę tworzy pojedynczy atom, który powoli przemieszcza się po powierzchni w odległości jednej średnicy atomu. Obserwując prąd, odległość można utrzymać na stałym poziomie, umożliwiając końcówce poruszanie się w górę i w dół w zależności od struktury próbki.

STM najlepiej sprawdza się w przypadku materiałów przewodzących w celu wytworzenia prądu. Jednak od czasu jego powstania różne implementacje pozwalają na większą różnorodność próbek, takich jak skaningowa mikroskopia tunelowa ze spolaryzacją spinową (SPSTM) i mikroskopia sił atomowych (AFM).

Fotojonizacja

Funkcja falowa ma kluczowe znaczenie w mechanice kwantowej. Zawiera maksimum informacji, jakie można poznać o stanie kwantowym pojedynczej cząstki . Kwadrat funkcji falowej to prawdopodobieństwo położenia cząstki w dowolnym momencie. Bezpośrednie obrazowanie funkcji falowej było kiedyś uważane jedynie za eksperyment gedanken , ale stało się rutyną. Obraz dokładnego położenia atomu lub ruchu jego elektronów jest prawie niemożliwy do zmierzenia, ponieważ jakakolwiek bezpośrednia obserwacja atomu zakłóca jego spójność kwantową. W związku z tym obserwacja funkcji falowej atomu i uzyskanie obrazu jego pełnego stanu kwantowego wymaga wykonania wielu pomiarów, które następnie są statystycznie uśredniane. Mikroskop fotojonizacyjny bezpośrednio wizualizuje strukturę atomową i stany kwantowe.

Mikroskop fotojonizacyjny wykorzystuje fotojonizację wraz z właściwościami i zasadami kwantowymi do pomiaru właściwości atomowych. Zasada polega na badaniu przestrzennego rozkładu elektronów wyrzucanych z atomu w sytuacji, w której długość fali De Broglie'a staje się na tyle duża, że ​​można ją zaobserwować w skali makroskopowej. Atom w polu elektrycznym jest jonizowany przez skupiony laser. Elektron jest przyciągany do detektora wrażliwego na położenie, a prąd jest mierzony jako funkcja położenia. Zastosowanie pola elektrycznego podczas fotojonizacji pozwala na ograniczenie strumienia elektronów w jednym wymiarze.

Wiele klasycznych ścieżek prowadzi od atomu do dowolnego punktu w klasycznie dozwolonym obszarze detektora, a fale przemieszczające się tymi ścieżkami tworzą wzór interferencyjny. Nieskończony zbiór rodzin trajektorii prowadzi do skomplikowanego wzoru interferencji w detektorze. Jako taka mikroskopia fotojonizacyjna opiera się na istnieniu interferencji pomiędzy różnymi trajektoriami, po których elektron przemieszcza się z atomu do płaszczyzny obserwacji, na przykład atomu wodoru w równoległych polach elektrycznych i magnetycznych.

Historia i rozwój

Pomysł zrodził się z eksperymentu zaproponowanego przez Demkowa i współpracowników na początku lat 80. Naukowcy zasugerowali, że fale elektronowe można obrazować podczas interakcji ze statycznym polem elektrycznym o ile długość fali de Broglie'a tych elektronów była wystarczająco duża. Dopiero w 1996 roku coś przypominającego te pomysły przyniosło owoce. W 1996 roku zespół francuskich badaczy opracował pierwszy mikroskop fotooddzielny. Pozwoliło to na bezpośrednią obserwację struktury oscylacyjnej funkcji falowej. Fotoodłączanie to usuwanie elektronów z atomu za pomocą interakcji z fotonami lub innymi cząstkami. Mikroskopia fotooddzielna umożliwiła zobrazowanie przestrzennego rozkładu wyrzucanego elektronu. Mikroskop opracowany w 1996 roku jako pierwszy umożliwił obrazowanie pierścieni fotoodłączających negatywowego bromu jon. Obrazy te ujawniły interferencję pomiędzy dwiema falami elektronowymi w drodze do detektora.

Pierwsze próby wykorzystania mikroskopii fotojonizacyjnej zostały przeprowadzone na atomach ksenonu przez zespół holenderskich badaczy w 2001 roku. Różnice między jonizacją bezpośrednią i pośrednią powodują różne trajektorie wychodzącego elektronu. Jonizacja bezpośrednia odpowiada elektronom wyrzucanym w dół pola w kierunku wąskiego gardła w potencjale pola elektrycznego Coulomb + DC, podczas gdy jonizacja pośrednia odpowiada elektronom wyrzucanym z wąskiego gardła w polu elektrycznym Coulomb + DC i jonizują dopiero po dalszych interakcjach Coulomba. Trajektorie te tworzą wyraźny wzór, który można wykryć za pomocą dwuwymiarowego detektora strumienia, a następnie sfotografować. Obrazy przedstawiają pierścień zewnętrzny odpowiadający procesowi jonizacji pośredniej i pierścień wewnętrzny, który odpowiada procesowi jonizacji bezpośredniej. Ten wzór oscylacji można zinterpretować jako interferencję trajektorii elektronów przemieszczających się od atomu do detektora.

Następna grupa, która podjęła próbę mikroskopii fotojonizacyjnej, wykorzystała wzbudzenie atomów litu w obecności statycznego pola elektrycznego. Eksperyment ten był pierwszym, który ujawnił dowody na istnienie stanów quasi-związanych. Stan quasi-związany to „stan mający połączenie z prawdziwym stanem związanym poprzez zmianę jakiegoś parametru fizycznego”. Dokonano tego poprzez fotojonizację atomów litu w obecności statycznego pola elektrycznego o wartości ≈1 kV/cm. Eksperyment ten był ważnym prekursorem obrazowania funkcji falowej wodoru ponieważ w przeciwieństwie do eksperymentów przeprowadzonych z ksenonem, obrazy mikroskopowe z funkcją falową litu są wrażliwe na obecność rezonansów. Dlatego bezpośrednio ujawniono stany quasi-związane.

W 2013 roku Aneta Stodolna i współpracownicy zobrazowali funkcję falową atomu wodoru, mierząc wzór interferencyjny na detektorze 2D. Elektrony są wzbudzane do stanu Rydberga . W tym stanie orbital elektronowy jest daleko od centralnego jądra. Elektron Rydberga znajduje się w polu prądu stałego, co powoduje, że znajduje się powyżej klasycznego progu jonizacji, ale poniżej energii jonizacji wolnej od pola. Fala elektronowa ostatecznie wytwarza wzór interferencyjny, ponieważ część fali skierowana w stronę detektora 2D interferuje z częścią skierowaną od detektora. Ten wzór interferencji pokazuje liczbę węzłów zgodną ze strukturą węzłową orbitalu atomu wodoru

Przyszłe kierunki

Ten sam zespół badaczy, który zobrazował funkcję falową elektronu wodorowego, próbuje zobrazować hel. Zgłaszają znaczne różnice, ponieważ hel ma dwa elektrony, co może umożliwić im „zobaczenie” splątania.

Splątanie kwantowe

Metrologia kwantowa wykonuje precyzyjne pomiary, których nie da się osiągnąć klasycznie. Zazwyczaj splątanie cząstek N służy do pomiaru fazy z dokładnością ∆φ = 1/N, zwaną granicą Heisenberga . Przekracza to granicę precyzji ∆φ = 1/ √ N możliwą dla N niesplątanych cząstek, zwaną standardową granicą kwantową (SQL). Stosunek sygnału do szumu (SNR) dla danego natężenia światła jest ograniczany przez SQL, co ma kluczowe znaczenie w przypadku pomiarów, w których natężenie światła sondy jest ograniczone, aby uniknąć uszkodzenia próbki. SQL można rozwiązać za pomocą splątanych cząstek.

Mikroskop najpierw zarejestrował reliefowy wzór na szklanej płytce. W jednym z testów wzór był o 17 nanometrów wyższy niż płytka.

Mikroskopy splątania kwantowego są formą kontrastowego mikroskopu różnicowo-interferencyjnego typu konfokalnego . Źródłem oświetlenia są splątane pary fotonów i bardziej ogólnie stany POŁUDNIOWE . Dwie wiązki fotonów są przesyłane do sąsiednich punktów na płaskiej próbce. Pomiar interferencji wiązek następuje po ich odbiciu. Kiedy dwie wiązki uderzają w płaską powierzchnię, obie przemieszczają się na tę samą długość i tworzą odpowiedni wzór interferencji. Ten wzór interferencji zmienia się, gdy wiązki uderzają w obszary o różnych wysokościach. Wzorce można rozwiązać, analizując wzór interferencji i różnicę faz. Jest mało prawdopodobne, aby standardowy mikroskop optyczny wykrył coś tak małego. Obraz jest precyzyjny, gdy jest mierzony za pomocą splątanych fotonów, ponieważ każdy splątany foton dostarcza informacji o drugim. Dostarczają zatem więcej informacji niż niezależne fotony, tworząc ostrzejsze obrazy.

Przyszłe kierunki

Aby poprawić obraz, można zastosować zasady wzmacniania splątania. W ten sposób badacze są w stanie pokonać kryterium Rayleigha . Jest to idealne rozwiązanie do badania tkanek biologicznych i materiałów nieprzezroczystych. Jednakże natężenie światła należy obniżyć, aby uniknąć uszkodzenia próbki.

Mikroskopia fotonów splątanych pozwala uniknąć fototoksyczności i fotowybielania charakterystycznych dla dwufotonowej skaningowej mikroskopii fluorescencyjnej. Ponadto, ponieważ obszar interakcji w mikroskopii splątanej jest kontrolowany przez dwie wiązki, wybór miejsca obrazu jest elastyczny, co zapewnia lepszą rozdzielczość osiową i poprzeczną

Oprócz tkanek biologicznych bardzo precyzyjne pomiary fazy optycznej mają zastosowania takie jak wykrywanie fal grawitacyjnych , pomiar właściwości materiałów, a także wykrywanie medyczne i biologiczne.

Biologiczne mikroskopy kwantowe

Naukowcy opracowali mikroskopy światła kwantowego oparte na ściśniętych stanach światła . Ściśnięte stany światła mają charakterystykę szumu, która jest zmniejszona poniżej poziomu szumu strzałowego w jednej kwadraturze (takiej jak amplituda lub faza) kosztem zwiększonego szumu w kwadraturze ortogonalnej. Ten zmniejszony szum można wykorzystać do poprawy stosunku sygnału do szumu. Wykazano, że stany ściśnięte umożliwiają poprawę stosunku sygnału do szumu nawet trzydziestokrotnie.

W pierwszym biologicznym mikroskopie kwantowym wykorzystano ściśnięte światło w pęsecie optycznej do badania wnętrza żywej komórki drożdży. W eksperymentach wykazano, że ściśnięte światło pozwala na bardziej precyzyjne śledzenie granulek lipidowych, które naturalnie występują w komórce, i że zapewnia to dokładniejszy pomiar lepkości lokalnej ogniwa. Lepkość jest ważną właściwością komórek związaną z ich zdrowiem, właściwościami strukturalnymi i funkcją lokalną. Później ten sam mikroskop wykorzystano jako mikroskop sił fotonicznych do śledzenia granulki podczas jej przestrzennej dyfuzji. Umożliwiło to wykazanie zwiększonej rozdzielczości kwantowej i osiągnięcie tego w mikroskopie z ograniczoną subdyfrakcją.

Do ulepszenia mikroskopii nieliniowej wykorzystano również światło ściśnięte. Mikroskopy nieliniowe wykorzystują intensywne oświetlenie laserowe, zbliżone do poziomów, przy których mogą wystąpić uszkodzenia biologiczne. Uszkodzenia te stanowią kluczową przeszkodę w poprawie ich wydajności, uniemożliwiając wzrost intensywności i tym samym wyznaczając twarde ograniczenie SNR. Wykorzystując ściśnięte światło w takim mikroskopie, badacze wykazali, że tę granicę można przekroczyć – że można osiągnąć współczynnik SNR przekraczający poziom osiągalny w ramach limitów fotouszkodzeń w zwykłej mikroskopii.

Superrozdzielczość fluorescencji wzmocniona kwantowo

W mikroskopie fluorescencyjnym rejestrowane są obrazy obiektów zawierających cząsteczki fluorescencyjne. Każda taka cząstka może emitować nie więcej niż jeden foton na raz, co jest efektem mechaniki kwantowej znanym jako przeciwdziałanie skupiskom fotonów . Rejestracja przeciwdziałania powstawaniu pęczków na obrazie fluorescencyjnym dostarcza dodatkowych informacji, które można wykorzystać do zwiększenia rozdzielczości mikroskopu poza granicę dyfrakcyjną i wykazano to dla kilku typów cząstek fluorescencyjnych.

Intuicyjnie antygrupowanie można traktować jako wykrywanie „brakujących” zdarzeń dwóch fotonów emitowanych z każdej cząstki, która nie może jednocześnie emitować dwóch fotonów. Używa się go zatem do wytworzenia obrazu, który zostałby wytworzony przy użyciu fotonów o połowie długości fali wykrytych fotonów. Wykrywając zdarzenia N-fotonowe, rozdzielczość można poprawić nawet o współczynnik N powyżej granicy dyfrakcji.

W konwencjonalnych mikroskopach fluorescencyjnych informacje zapobiegające grupowaniu są ignorowane, ponieważ jednoczesne wykrycie emisji wielu fotonów wymaga rozdzielczości czasowej wyższej niż w przypadku większości powszechnie dostępnych kamer. Jednakże ulepszona technologia detektorów umożliwiła demonstrację superrozdzielczości wzmocnionej kwantowo przy użyciu szybkich układów detektorów, takich jak układy jednofotonowych diod lawinowych .

Kwantowa mikroskopia ramanowska

Korelacje kwantowe zapewniają współczynnik SNR przekraczający granicę fotouszkodzenia (ilość energii, która może zostać dostarczona bez uszkodzenia próbki) konwencjonalnej mikroskopii. Spójny mikroskop Ramana oferuje rozdzielczość poniżej długości fali i zawiera jasne, skorelowane kwantowo oświetlenie. Wiązania molekularne w komórce można obrazować przy współczynniku SNR poprawionym o 35% w porównaniu z konwencjonalną mikroskopią, co odpowiada 14% poprawie czułości stężenia.