La Kuantum teknolojisi, mikroskobik dünyaya bakış açımızı kökten değiştiriyor.Birkaç on yıl önce bilim kurgu gibi görünen şeyler - canlı hücreleri zarar vermeden son derece ayrıntılı bir şekilde görmek, bir kristalde hapsolmuş ışığın hareketini takip etmek veya atomları tek tek fotoğraflamak - dünyanın önde gelen laboratuvarlarında rutin hale gelmeye başlıyor.
Yeni sayesinde Klasik çözünürlük sınırlarını aşabilen kuantum mikroskoplarıBilim insanları, bir asırdan fazla süredir mümkün olanın sınırlarını belirleyen engelleri yıkıyorlar. Dolaşık fotonlara dayalı canlı hücrelerin optik mikroskobundan, ultra soğuk gazların kuantum simülatörlerine ve 4 boyutlu elektron mikroskoplarına kadar ortak hedef açık: daha az ışık veya daha düşük radyasyon dozlarıyla çok daha fazla bilgi elde etmek ve daha önce kelimenin tam anlamıyla görünmez olan yapıları görmek.
Klasik çözünürlük sınırı ve normal ışığın neden yeterli olmadığı
Geleneksel bir optik mikroskopta, İnce ayrıntıları ayırt etme yeteneği, ışığın dalga boyuyla sınırlıdır. Kullanılan yöntem budur. Genel bir kural olarak, yalnızca boyutu en az dalga boyunun yaklaşık yarısı kadar olan yapılar çözümlenebilir.
Bu, standart görünür ışık kullanıldığında, bir noktanın var olduğu anlamına gelir. Sadece büyütme oranını artırarak çözünürlüğü sürekli iyileştiremezsiniz.Evet, daha da yaklaşabiliriz, ancak ışığın dalga benzeri doğası fiziksel bir sınır görevi gördüğü için ayrıntılar bulanıklaşmaya başlar.
Daha da ileri gitmenin bariz bir yolu da şunu kullanmaktır: daha kısa dalga boyuna sahip ışıkÖrneğin mor veya ultraviyole (UV) gibi. Dalga boyu ne kadar kısa olursa, mikroskobun ayırt edebileceği ayrıntılar o kadar küçük olur. Ancak bunun önemli bir dezavantajı vardır: bu ışınlar daha fazla enerji taşır ve canlı hücrelere ve hassas moleküllere zarar verir veya onları öldürür.Bu, hücre biyolojisinde, tıpta veya birçok yüksek hassasiyetli deneyde kabul edilemez bir durumdur.
Araştırmacılar yıllardır bu dengeyle boğuşuyorlar: Numunenin aşırı ısınmasını önlemek için ışık yoğunluğu azaltılırsa, görüntüde gürültü oluşur.Kontrastı ve kritik ayrıntıları kaybeder. Yoğunluk çok fazla artırılırsa veya çok enerjik radyasyon kullanılırsa, örnek geri dönüşü olmayan hasar görür. İşte burada kuantum fiziğinin fikirleri devreye giriyor.
Geleneksel optik sistemler, düşük ışık koşullarında, yüksek hassasiyette ve aşırı çözünürlükte denge kurmaya çalışırken yetersiz kalır. Bu senaryoda, aşağıdaki yöntemlerin kullanımı devreye girer: Birbirine dolanmış foton çiftleri gibi özenle hazırlanmış kuantum ışığıBu, bazı sınırlamaları aşmamızı ve mikro ve nano dünyaya tamamen yeni bir pencere açmamızı sağlıyor.
"Korkunç" eylem ile mükemmel görüntü arasında: kuantum dolanıklığı
Modern fizikteki en çarpıcı olaylardan biri şudur: kuantum dolaşıklığıKuantum mekaniğine göre, iki parçacık o kadar yakından ilişkili hale gelebilir ki, aralarındaki mesafeden bağımsız olarak birinin durumu diğerinin durumuyla bağlantılı olur. Albert Einstein bunu "uzaktan ürkütücü etki" olarak tanımladı çünkü bu durum klasik sezgiyle ve kendi görelilik teorisinin öne sürdüğüyle çelişiyordu.
Mikroskopi bağlamında, bu iç içe geçme şu anlama gelir: Birbirine dolanmış foton çiftleri, yani bifotonlarKuantum bakış açısından, bir bifoton neredeyse tek bir bileşik parçacık gibi davranır ve bu parçacığın momentumu, tek bir fotonun momentumunun yaklaşık iki katıdır.
Kuantum mekaniği bize şunu hatırlatıyor: Her parçacığın dalga benzeri bir karakteri de vardır.Bu bağlamda, dalga boyu momentumla ters orantılıdır: momentum ne kadar büyükse, dalga boyu o kadar kısadır. Bu, bifotonun daha büyük bir etkin momentuma sahip olması nedeniyle, Etkin dalga boyu yaklaşık olarak yarısıdır. Oluşturulduğu serbest fotonlardan.
Dalgalar ve parçacıklar arasındaki bu etkileşim oldukça ilgi çekici, çünkü mikroskobu sanki bir dalga ve parçacık kullanıyormuş gibi çalıştırabilirsek, bu durum daha da ilginç hale gelebilir. dalga boyu yarıya eşdeğer ışıkHücrelere daha enerjik veya daha agresif radyasyon uygulamaya gerek kalmadan, iki kat daha küçük ayrıntıları görebiliriz.
Kuantum dolanıklığının bu zekice kullanımı, düşük enerjili fotonları (örneğin, mor aralığında yaklaşık 400 nanometre dalga boyuna sahip olanları) tutarak, Ultraviyole ışığa benzer bir çözünürlük elde ederler, ancak çok daha kısa bir süreyle.Yaklaşık 200 nanometre mertebesinde, ancak numuneye zarar vermeden.
Kuantum eşzamanlılık mikroskobu (QMC): hücreleri yakmadan çözünürlüğü ikiye katlama
Bir grup araştırmacı California Teknoloji Enstitüsü (Caltech) geliştirdiği bir teknik var. Kuantum Eşzamanlılık Mikroskopi (QMC)Nature Communications dergisinde "Heisenberg sınırında kuantum hücre mikroskopisi" olarak tanımlanan bu yöntem, geleneksel optik mikroskopla elde edilebilen çözünürlüğü iki katına çıkarmayı vaat ediyor.
QMC'nin temel fikri, kaldıraç etkisi yaratmaktır. Birbirine dolanmış foton çiftleri, bifotonları oluşturur.Bu bifotonlar, iki kat momentum ve dolayısıyla daha kısa etkili dalga boyuna sahip tek bir varlık gibi davranırlar. Bu nedenle, 400 nm ışık (morun sınırında) kullanan bir sistem, numuneye aktarılan enerjiyi çok daha yönetilebilir bir seviyede tutarken, 200 nm ışık (tam ultraviyolede) ile benzer bir çözünürlük elde edebilir.
Profesör Lihong WangCaltech'te Tıp Mühendisliği ve Elektrik Mühendisliği profesörü ve bu çalışmanın baş yazarı olan kişi, durumu çok çarpıcı bir şekilde özetliyor: hücreler ultraviyole ışıkla "iyi geçinmiyor", ancak 400 nm ile aydınlatırsak ve 200 nm ile elde ettiğimiz çözünürlük etkisinin aynısını elde edersek, Hücreler "mutlu" ve mikroskop detay seviyesini artırmaya devam ediyor..
Bu yaklaşım, klasik ikilemi tek seferde çözüyor: Çok küçük yapıları görmek için aşırı enerjik ışık kullanmaya gerek yoktur.Kuantum dolanıklığını ve eşleştirilmiş fotonlar arasındaki eşleşmelerin ölçülme şeklini manipüle ederek, QMC sistemi, mikroskobun canlı örneklere potansiyel zararı artırmadan her bir fotondan daha fazla verim almasını sağlar.
Kullanılan ışığın dalga boyunun yarısına denk gelen büyüklükteki bir nesnenin ayrıntılarını yakalayabilen geleneksel mikroskopların aksine, QMC Daha az zararlı ışıklar kullanarak çok daha küçük yapıları görmenizi sağlar.Üstelik, bunu, yaratıcılarına göre halihazırda uygulanabilir bir sistem olan ve sadece tek seferlik bir laboratuvar gösterimi olmayan deneysel bir konfigürasyonla yapıyor.
QMC'nin adım adım çalışma prensibi
Bu fikri hayata geçirmek için Caltech ekibi bir sistem kurdu. Lazer ışınının özel bir kristale yansıtıldığı optik cihaz.Bu kristal, gelen fotonların küçük bir bölümünü birbirine dolanmış çiftlere, yani bifotonlara dönüştürmek üzere tasarlanmıştır. Şimdilik verimlilik çok düşük (milyon foton başına yaklaşık bir), ancak araştırmacılar bu oranı iyileştirmek için zaten çalışıyorlar.
Oluştuktan sonra, bu bifotonlar Ayırıcı maddeleri aynalar, mercekler ve prizmalar kullanarak ayırırlar.Böylece onları oluşturan iki foton farklı yollar izler. Bunlardan biri gözlemlemek istediğimiz numuneden geçer (sinyal fotonu olarak adlandırılır) ve diğeri numuneden geçmez (boşta veya aktif olmayan foton olarak adlandırılır).
Her iki foton da daha sonra sistemin optik elemanlarından geçerek bilgisayara bağlı bir dedektöre ulaşana kadar yollarına devam eder. İşin püf noktası ise bilgisayarın... Bu yöntem yalnızca tek tek fotonları saymakla kalmaz, aynı zamanda birbirine dolanmış iki foton arasındaki eş zamanlılıkları da sayar.Bu bilgiler ışığında, çiftin iç içe geçmiş yapısından yararlanılarak numunenin görüntüsü yeniden oluşturulur.
Şaşırtıcı olan şu ki, hücreden veya başka bir nesne türünden geçtikten sonra ayrı yollar izlemelerine rağmen, Fotonlar dolanıklıklarını koruyarak çift foton gibi davranırlar. Bunlar tespit edilirken, sistem bu kuantum tutarlılığından yararlanarak, sanki dalga boyunun yarısına sahipmiş gibi davranır.
Diğer gruplar daha önce biphotonlarla görüntü elde etmeyi başarmış olsa da, Wang'ın ekibi bunun bir ilk olduğunu savunuyor. Pratik ve tekrarlanabilir bir sistemi gösteren mikroskobik düzeyde detaylı bir düzenek.Süreci tanımlamak için titiz bir teori geliştirdiler, dolaşıklığı ölçmek için hızlı ve doğru bir yöntem buldular ve bunun gerçek biyolojik örnekler üzerinde kullanışlılığını gösterdiler.
Canlı hücreleri daha detaylı ve daha az hasarla görüntüleyin.
Caltech ekibi kuantum mikroskobunu kullanarak... kanser hücrelerinin görüntülerini elde etmekGeliştirilmiş çözünürlük sayesinde, klasik bir optik mikroskobun benzer ışık ve dozda çözemediği çeşitli iç yapıları net bir şekilde tanımlayabildiler.
En çarpıcı şey şu ki İşlem sırasında hücreler hasar görmedi veya yok olmadı.Çünkü kullanılan radyasyon özellikle enerjik değildi. Sihir, hücreyi giderek daha agresif fotonlarla "bombardımana" etmekte değil, bifotonların taşıdığı kuantum bilgisinin nasıl kullanıldığında yatıyor.
Bu teknik, oldukça umut vadeden bir gelişme olarak algılanmaktadır. Tıbbi görüntüleme ve biyomedikal araştırmaCanlı hücreleri, dokuları ve hatta hassas mikroorganizmaları, kuantum fiziğinin belirlediği sınıra (Heisenberg sınırı olarak da bilinen) yakın bir çözünürlük seviyesinde, onları tahrip etmeden inceleyebilmek, erken teşhise, tedavilerin daha iyi izlenmesine ve kritik biyolojik süreçlerin daha incelikli bir şekilde anlaşılmasına olanak tanır.
İleriye dönük olarak, araştırmacılar şu olasılığı değerlendiriyorlar: ikiden fazla dolanık foton kullanın Çözünürlüğü daha da iyileştirmek ve fotonların çevreyle etkileşiminden kaynaklanan arka plan gürültüsünü azaltmak için teknolojiyi optimize etmek. Her iyileştirme, elde edilen görüntülerin kalitesini ve doğruluğunu daha da artıracaktır.
Buna paralel olarak, bu gelişme aşağıdaki gibi alanlardaki uygulamaların da temelini oluşturmaktadır. kuantum hesaplama, kriptografi veya yeni malzemelerin tasarımıNanoyapıları zarar vermeden nano ölçekte karakterize edebilme yeteneği paha biçilmez değerdedir.
Kuantum gaz mikroskopları: atomları dondurmak ve tek tek incelemek
Bu arada, Avrupa'da tamamlayıcı nitelikteki bir başka alanda da ilerleme kaydedildi: ultra soğuk gazların kuantum mikroskopları. Sembolik bir örnek, PRX Quantum dergisinde sunulan, Castelldefels'deki Institut de Ciègency Fotòniques (ICFO) tarafından geliştirilen QUIONE'dir.
QUIONE şu şekilde işlev görür: Stronsiyum atomlarını mutlak sıfıra yakın sıcaklıklara soğutan "kuantum simülatörü"Bu sistem, onları optik bir ağ halinde düzenler ve neredeyse bir karton kutunun deliklerine yerleştirilmiş yumurtalar gibi, ancak atomik ölçekte, tek tek gözlemlenmelerine olanak tanır.
Geleneksel olarak, kuantum gaz mikroskopları şunlara dayanıyordu: lityum veya potasyum gibi alkali atomlarOptik olarak kullanımı daha kolay olan maddeler söz konusudur. Daha karmaşık bir spektruma sahip alkali toprak atomu olan stronsiyumu kuantum rejimine dahil etmek, çok daha egzotik malzemelerin ve madde fazlarının simülasyonuna kapı açar.
Şema şu şekildedir: Stronsiyum gazının sıcaklığı birkaç milisaniye boyunca son derece düşük değerlere düşürülür, bu da atomların... neredeyse tamamen yavaşlayın ve optik bir ağa hapsolun.Lazerler tarafından üretilen bir tür "ışık ızgarası". Izgaradaki her nokta, yüksek olasılıkla bir atomun bulunacağı küçük bir enerji kuyusu gibi davranır.
Bu yapılandırma sayesinde ekip şunları yapabildi: atom atom görüntüler elde etmek Ayrıca, stronsiyum gazının viskozite olmadan aktığı süperakışkanlık gibi olayları incelemek için de kullanılır. Dahası, klasik engelleri aşmaya gerek kalmadan kafeste bir noktadan diğerine "sıçrayan" atomların dinamikleri, ünlü olguyu doğrudan göstermektedir. kuantum tünelleme etkisi.
QUIONE, analog kuantum işlemcisi ve yeni malzeme laboratuvarı olarak
QUIONE sadece bir mikroskop değil: özünde bir analog kuantum işlemciAraştırmacılar, optik kafesin şeklini, lazerlerin yoğunluğunu, atomlar arasındaki etkileşimleri ve diğer parametreleri ayarlayarak sistemi "programlayabilirler". karmaşık gerçek malzemelerin davranışını taklit etmekAncak son derece kontrollü bir ortamda.
Bu, örneğin zor soruları ele almamızı sağlar. Bazı malzemeler neden elektriği kayıpsız iletir? (Süperiletkenlik) nispeten yüksek sıcaklıklarda veya elektronların hâlâ tam olarak anlaşılamayan topolojik fazlara nasıl organize edildiği.
Bu tür bir kuantum mikroskobu kullanarak stronsiyum gazlarını bu kadar hassas bir şekilde inceleme olasılığı, QUIONE'yi öne çıkarıyor. gelecekteki kuantum bilgisayarların geliştirilmesi için stratejik bir araç ve ilgili teknolojiler. Stronsiyum, özellikle ultra hassas atom saatleri ve sağlam kuantum işlemcileri oluşturmak için oldukça caziptir; bu nedenle, tek bir atom ölçeğinde manipüle edilmesine ve görselleştirilmesine olanak tanıyan bir cihaza sahip olmak gerçek bir bilimsel lükstür.
Leticia Tarruell ve ekibi gibi araştırmacılar şunu belirtiyor: Bu tür kuantum simülasyonu, son derece karmaşık mikroskobik sistemlerin çözümlenmesine yardımcı olacaktır.Bu, geliştirilmiş süperiletkenlerden topolojik yalıtkanlara kadar, özel özelliklere sahip yeni malzemelerin nasıl tasarlanacağına dair ipuçları sunuyor.
Böylece, dünyayı sadece göstermekle kalmayıp, daha iyi anlamak için onu minyatür olarak yeniden yaratan bir kuantum mikroskop ailesiyle karşı karşıyayız; bu, yakın zamana kadar teorik modellere özgü bir şey gibi görünüyordu.
Çok düşük yoğunluklu kuantum ışığı: Avrupa Q-MIC projesi
Bir diğer güçlü bahis seçeneği Kuantum mikroskopi, Avrupa Birliği'nin Q-MIC projesinden doğmuştur.Büyük ölçüde ICFO ve İtalya ile Almanya'dan işbirlikçilerin öncülüğünde yürütülen bu proje, klasik mikroskoplara kıyasla geniş görüş alanı, yüksek hassasiyet ve daha iyi çözünürlükte görüntüler elde etmek için çok düşük yoğunluklu kuantum ışığı kullanabilen bir mikroskop geliştirmek amacıyla 2018'den beri devam etmektedir.
Q-MIC cihazı, özellikle şu amaçla tasarlanmış olmasıyla öne çıkmaktadır: Numuneyi birbirine dolanmış foton çiftleriyle aydınlatın.Birçok düzensiz fotondan oluşan geleneksel ışık yerine, her bir foton çifti son derece ilişkili miktarda bilgi taşır; bu da daha az toplam radyasyonla daha fazla ayrıntının elde edilmesini sağlar.
Numunenin son derece hassas olduğu uygulamalarda (örneğin, belirli proteinler, virüsler, moleküller veya canlı dokular) Deneyi bozmayacak düşük yoğunluklu ışık Bu çok önemli. Sorun, her zaman olduğu gibi, yoğunluğu azaltmanın görüntüdeki göreceli gürültüyü artırması ve bunun da genellikle sonucu bulanıklaştırmasıdır.
Q-MIC bu engeli şu şekilde aşıyor: Birbirine dolanmış fotonlar tarafından oluşturulan girişim desenleriKamera, her piksele kaç fotonun ulaştığını basitçe kaydetmek yerine, optik sistemden geçen eşleşen foton çiftlerini tespit eder ve örnekler; bu bilgiler de gelişmiş matematiksel algoritmalar kullanılarak görüntünün yeniden oluşturulmasında kullanılır.
Bu yaklaşım sayesinde araştırmacılar bunun mümkün olduğunu gösterdiler. Klasik tekniklere kıyasla gürültüyü azaltır ve ölçümlerin hassasiyetini %25'ten fazla artırır.Işık dozlarını normal seviyelerin oldukça altında tutarak.
Girişim, Savart plakaları ve görüntü yeniden yapılandırması
Q-MIC'in optik kalbi, bir dizi bileşenden oluşmaktadır. Savart tabaklarıIşık demetini farklı polarizasyonlara (yatay ve dikey) sahip ve biraz farklı yollar izleyen iki demete ayırabilen çift kırılımlı kristaller ve kullanılanlara benzer yönlendirme elemanları. fiber optik sistemler.
Birbirine dolanmış foton çiftleri bu sistemden geçtiğinde, Savart plakaları oluşur. Yollarını ayırırlar ve onları örneğe doğru yönlendirirler.Eğer numune tamamen düz ve homojen ise, foton yolları neredeyse aynı kalır. Ancak kalınlık, kırılma indisi veya diğer özelliklerde farklılıklar varsa, ışınlar yeniden birleştiğinde karmaşık girişim desenlerine yol açan faz farkları oluşur.
Mikroskop kamerası, optik yoğunluk seviyelerini alışılagelmiş şekilde ölçmez, bunun yerine foton varış eşzamanlılıklarını kaydeder Görüş alanının farklı noktalarında. Bu işlem birçok kez tekrarlanarak, numunenin ince yapısı hakkında bilgi kodlayan iki fotonlu bir girişim deseni birikir.
Matematiksel ve sinyal işleme tekniklerine dayalı yeniden yapılandırma algoritmalarının yardımıyla bilim insanları Bu desenleri ayrıntılı görüntülere dönüştürüyorlar.Noktadan noktaya tarama sistemine ihtiyaç duymadan. Bu, nispeten geniş görüş alanlarını yüksek hassasiyet ve iyi çözünürlükle kapsamayı sağlar; bu da yüzeylerin ve geniş örneklerin analizinde çok faydalıdır.
Gelişmeyi doğrulamak için bir test yaptılar. A proteininin standart örneği Örnek, eşit aralıklı hücrelere sahip bir cam slayt üzerine yerleştirildi. Önce klasik ışıkla, ardından kuantum ışıkla aydınlatıldı. Her iki durumda da girişim desenleri elde edildi ve görüntüler yeniden oluşturuldu. Sonuç açıktı: kuantum ışıkla elde edilen görüntü çok daha pürüzsüz, daha az gürültülü ve yapıların kenarları daha belirgindi.
Q-MIC uygulamaları: esnek malzemelerden virüslere
Q-MIC'in sonuçları yayınlandı. Bilim GelişmelerBu kuantum aydınlatma stratejisinin sadece teorik bir merak konusu olmadığını açıkça belirtiyorlar. Beklenen uygulamalar, çok çeşitli alanları kapsıyor... Malzeme bilimi, esnek elektronikler için şeffaf yüzeylerin analizi. veya hassas kaplamaların incelenmesi.
Ayrıca, birlikte çalışma yetenekleri de önemlidir. dakika ışık dozları Bu özelliği sayesinde, bazı virüsler gibi aşırı hassas mikroorganizmaların ve yoğun ışık altında kolayca bozulan moleküllerin incelenmesi için ideal bir adaydır. Ayrıca aşağıdaki alanlarda da uygulanması öngörülmektedir: kuantum kriptografisi ve güvenli iletişimBurada, birbirine dolanmış fotonların hassas kontrolü çok önemlidir.
Q-MIC mikroskobu, dolanıklığı doğru şekilde kullanarak şunları yapabileceğimizi gösteriyor: her bir foton tarafından çıkarılan bilginin kalitesini iyileştirmekIşık dozunu artırmaya gerek kalmadan gürültüyü azaltır ve doğruluğu artırır.
Caltech'in QMC tipi tekniklerine paralel olarak, Q-MIC şu fikri pekiştiriyor: Mikroskopideki bir sonraki büyük devrim kuantum optiğinde yatıyor.Sadece daha büyük hedefler veya daha güçlü lazerler inşa ederek değil.
4 boyutlu kuantum elektron mikroskobu: fotonik kristallerde hapsolmuş ışığı görmek
Görüntüleme alanındaki kuantum devrimi, görünür ışık veya ultra soğuk gazlarla sınırlı değil. İsrail'de, araştırmacılar... Technion – İsrail Teknoloji Enstitüsü Onlar bir ultra hızlı 4 boyutlu elektron mikroskobu Bu sayede, fotonik kristallerin içinde hapsolmuş ışığın akışı doğrudan gözlemlenebiliyor; bu, şimdiye kadar sadece bilgisayar simülasyonları yoluyla incelenebilen bir konuydu.
İlk olarak Nature dergisinde tanımlanan bu sistem, en iyilerinden biri olarak kabul ediliyor. dünyanın en gelişmiş yakın alan optik mikroskoplarıTeknolojik çekirdeği, benzersiz yeteneklere sahip ultra hızlı bir iletim elektron mikroskobuna dayanmasına rağmen.
Profesörün önderliğindeki ekip Ido Kaminer deneysel bir platform oluşturdu Ultra kısa ışık darbeleri (100 femtosaniyeden daha kısa mertebede) numuneyi uyarır. 40 kV ile 200 kV arasında değişen voltajlara hızlandırılmış elektron darbeleri, numunenin geçici durumunu yakalamak için onu inceler. Başka bir deyişle, numune inanılmaz derecede kısa zaman aralıklarında elektronlarla "aydınlatılır" ve "fotoğraflanır".
Bu yapılandırma ile mümkündür. Nanomalzemelerde (fotonik kristaller gibi) hapsedilmiş ışık ile serbest elektronlar arasındaki etkileşimlerin haritalandırılmasıOptik alanların dinamikleri hakkındaki bilgilere, benzeri görülmemiş uzamsal ve zamansal çözünürlükle erişim sağlıyor.
Pratik sonuç olarak, bilim insanları ilk defa bunu yapabiliyorlar. Işığın fotonik yapılarda hapsedilip yönlendirildiğinde nasıl davrandığını doğrudan gözlemlemek.Bu durum, yalnızca modellerden ve simülasyonlardan çıkarım yapmak yerine, örneğin kuantum bitlerini (kübitleri) daha yüksek kararlılıkla depolamak gibi optimize edilmiş özelliklere sahip kuantum malzemeleri ve fotonik cihazlar tasarlamak için yeni bir alan açıyor.
Serbest elektron dalga paketleri ve yeni kuantum fenomenleri
Bu ilerlemenin temelinde fizik yatmaktadır. serbest elektronlar ve ışık arasındaki ultra hızlı etkileşimlerGeleneksel olarak, kuantum elektrodinamiği (QED), atomlar, kuantum noktaları, süper iletken devreler vb. gibi kuantum maddelerin boşluklarda hapsedilmiş ışık modlarıyla nasıl etkileşimde bulunduğunu incelemiştir. Bu, günümüzdeki birçok kuantum teknolojisinin kavramsal temelini oluşturmaktadır.
Ancak bu sistemlerde elektronlar bağlıdır ve enerji durumları, spektral aralıkları ve seçim kuralları oldukça kısıtlıdır. Son gelişmeler başka bir varlığa odaklanmıştır: serbest elektronların kuantum dalga paketleriBağlı elektronların aksine, bu paketler geniş bir enerji aralığını kapsayabilir ve çok daha çeşitli etkileşimleri keşfedebilir.
Sorun şuydu ki, serbest elektronlar için fotonik boşluklarda büyüleyici etkilere dair çok sayıda teorik tahmine rağmen, Hiç kimse bu olayları kesin olarak gözlemleyememişti.Elektronlar ve sınırlı ışık arasındaki etkileşimin gücü ve süresindeki temel sınırlamalar nedeniyle.
Technion mikroskobu bu engeli aşarak şu olanakları sağlıyor: Elektronların kuantum doğasını doğrudan kullanarak yakın alan optik haritalarını kaydetmek.En önemli kanıtlardan biri, elektronik spektrumda Rabi tipi salınımların gözlemlenmesidir; bu davranış, tamamen klasik teorilerle açıklanamaz.
Bu sistemle araştırılan daha verimli foton içermeyen elektron etkileşimleri şunlara yol açabilir: güçlü etkileşimler, özel kuantum durumlarında foton sentezi ve doğrusal olmayan olaylar Benzeri görülmemiş bir durum. Tüm bunlar hem elektron mikroskobuna (örneğin, hassas malzemeler üzerinde düşük dozlarla çalışmak için) hem de serbest elektron fiziğinin diğer alanlarına fayda sağlayacaktır.
Ayrıca, edinilen bilgiler şu konularda yardımcı olacaktır: Mevcut ekranlarda keskinliği ve renk kontrastını iyileştirin.QLED teknolojisine (kuantum noktaları) dayalı olanlar gibi, daha da yüksek görüntü netliği sağlayan daha homojen nano/kuantum malzemeler tasarlanmaktadır.
Caltech'teki QMC, Avrupa'daki Q-MIC, QUIONE ve Technion'un 4D mikroskobu gibi bu araştırma alanlarının toplamı, bir araya getirildiğinde şu tabloyu ortaya koyuyor: Mikroskopi, son derece kuantum odaklı bir disiplin haline geliyor.Daha önce sadece teorik bir hayal olan ölçeklerde maddeyi görüntüleme, kontrol etme ve hatta simüle etme yeteneğine sahip.
Bu ekosistemin tamamı yeni kuantum mikroskopları Bu bir dönüm noktası: Artık sadece daha küçük şeyleri görmek değil, farklı bir şekilde görmek, dolanıklık, tünelleme, tutarlılık ve çok parçacıklı girişim gibi olguları kullanarak birkaç on yıl önce hayal bile edilemeyecek bilgiler elde etmek söz konusu. Bu teknolojiler olgunlaştıkça ve laboratuvarın ötesine geçtikçe, tıp, elektronik, malzeme bilimi ve daha geniş anlamda gerçekliğin en iç katmanlarına dair anlayışımızı dönüştürmesi bekleniyor.
