Fysikere udnytter forsømte lysegenskaber

University of Toronto (U of T) forskere har demonstreret en måde at øge opløsningen af ​​mikroskoper og teleskoper ud over langt accepterede begrænsninger ved at trykke på tidligere forsømte egenskaber ved lys. Metoden giver observatører mulighed for at skelne mellem meget små eller fjerne objekter, der er så tæt på hinanden, at de normalt smelter sammen til en enkelt sløring.

Teleskoper og mikroskoper er gode til at observere ensomme motiver. Forskere kan præcist opdage og måle en enkelt fjern stjerne. Jo længere de observerer, jo mere forfinede deres data bliver.

Men objekter som binære stjerner fungerer ikke på samme måde.

Det er fordi selv de bedste teleskoper er underlagt fysiske love, der får lys til at sprede sig eller "diffraktere". Et skarpt punkt bliver en aldrig så let sløret prik. Hvis to stjerner er så tæt på hinanden, at deres slør overlapper hinanden, ingen mængde observation kan adskille dem. Deres individuelle oplysninger går uigenkaldeligt tabt.

For mere end 100 år siden, Den britiske fysiker John William Strutt - bedre kendt som Lord Rayleigh - fastlagde minimumsafstanden mellem objekter, der er nødvendige for, at et teleskop kan udvælge hver enkelt. "Rayleigh -kriteriet" har siden været en iboende begrænsning af optikområdet.

Teleskoper, selvom, registrer kun lysets "intensitet" eller lysstyrke. Lys har andre egenskaber, der nu ser ud til at tillade en at omgå Rayleigh -kriteriet.

"For at slå Rayleighs forbandelse, du skal gøre noget smart, "siger professor Aephraim Steinberg, en fysiker ved U i T's Center for Quantum Information and Quantum Control, og senior stipendiat i programmet Quantum Information Science ved Canadian Institute for Advanced Research. Han er hovedforfatter til et papir, der blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Nogle af disse smarte ideer blev anerkendt med Nobelprisen i kemi 2014, bemærker Steinberg, men disse metoder er stadig kun afhængige af intensitet, begrænser de situationer, hvor de kan anvendes. "Vi målte en anden lysegenskab kaldet 'fase'. Og fase giver dig lige så mange oplysninger om kilder, der er meget tæt på hinanden, som det gør dem med store adskillelser. "

Lys bevæger sig i bølger, og alle bølger har en fase. Fase refererer til placeringen af ​​en bølges kam og trug. Selv når et par tætte lyskilder udviskes til en enkelt klat, oplysninger om deres individuelle bølgefaser forbliver intakte. Du skal bare vide, hvordan du skal lede efter det. Denne erkendelse blev offentliggjort af National University of Singapore forskere Mankei Tsang, Ranjith Nair, og Xiao-Ming Lu sidste år i Physical Review X, og Steinbergs og tre andre forsøgsgrupper gik straks i gang med at udtænke en række forskellige måder at anvende det på.

"Vi forsøgte at finde på det enkleste, du muligvis kunne gøre, "Siger Steinberg." At lege med fasen, du skal bremse en bølge, og lys er faktisk let at bremse. "

Hans team, herunder ph.d. -studerende Edwin (Weng Kian) Tham og Huge Ferretti, dele testbilleder i halve. Lys fra hver halvdel passerer gennem glas af forskellig tykkelse, som bremser bølgerne i forskellige tidsrum, ændre deres respektive faser. Når bjælkerne rekombinerer, de skaber tydelige interferensmønstre, der fortæller forskerne, om det originale billede indeholdt et objekt eller to - i opløsninger langt ud over Rayleigh -kriteriet.

Indtil nu, Steinbergs team har kun testet metoden i kunstige situationer, der involverer meget restriktive parametre.

"Jeg vil være forsigtig - det er tidlige stadier, "siger han." I vores laboratorieforsøg, vi vidste, at vi lige havde et sted eller to, og vi kunne antage, at de havde samme intensitet. Det er ikke nødvendigvis tilfældet i den virkelige verden. Men folk tager allerede disse ideer og ser på, hvad der sker, når du slapper af disse antagelser. "

Fremskridt har potentielle anvendelser både til at observere kosmos, og også i mikroskopi, hvor metoden kan bruges til at studere bundne molekyler og andre små, tætpakkede strukturer.

Uanset hvor meget fasemålinger i sidste ende forbedrer billedopløsningen, Steinberg siger, at eksperimentets sande værdi er at ryste fysikernes koncept om "hvor information faktisk er."

Steinbergs "dagjob" er inden for kvantefysik - dette eksperiment var en afgang for ham. Han siger, at arbejde i kvanteområdet gav filosofisk nøgleindsigt i selve informationen, der hjalp ham med at slå Rayleighs forbandelse.

"Når vi måler kvantetilstande, du har noget, der kaldes Usikkerhedsprincippet, der siger, at du kan se på position eller hastighed, men ikke begge dele. Du skal vælge, hvad du måler. Nu lærer vi, at billeddannelse mere ligner kvantemekanik, end vi havde klar over, "siger han." Når du kun måler intensitet, du har truffet et valg, og du har smidt information ud. Hvad du lærer, afhænger af, hvor du ser ud. "