Kvantelys presser støjen ud af mikroskopisignaler

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory brugte kvanteoptik til at avancere den nyeste mikroskopi og belyse en vej til at detektere materialegenskaber med større følsomhed, end det er muligt med traditionelle værktøjer.

"Vi viste, hvordan man bruger presset lys - en arbejdshest med kvanteinformationsvidenskab - som en praktisk ressource til mikroskopi, "sagde Ben Lawrie fra ORNLs afdeling for materialevidenskab og teknologi, der ledede forskningen sammen med Raphael Pooser fra ORNL's Computational Sciences and Engineering Division. "Vi målte forskydningen af ​​et atomkraftmikroskopmikantant med følsomhed bedre end standardkvantumgrænsen."

I modsætning til nutidens klassiske mikroskoper, Pooser og Lawries kvantemikroskop kræver kvanteteori for at beskrive dens følsomhed. De ikke -lineære forstærkere i ORNLs mikroskop genererer en særlig kvante lyskilde kendt som presset lys.

"Forestil dig et sløret billede, "Pooser sagde." Det er støjende og nogle fine detaljer er skjult. Klassisk, støjende lys forhindrer dig i at se disse detaljer. En 'presset' version er mindre sløret og afslører fine detaljer, som vi ikke kunne se før på grund af støjen. "Han tilføjede, "Vi kan bruge en presset lyskilde i stedet for en laser til at reducere støj i vores sensoraflæsning."

Mikrokantilen til et atomkraftmikroskop er et miniaturestykkebræt, der metodisk scanner en prøve og bøjer, når den mærker fysiske ændringer. Med studerende praktikanter Nick Savino, Emma Batson, Jeff Garcia og Jacob Beckey, Lawrie og Pooser viste, at det kvantemikroskop, de opfandt, kunne måle forskydningen af ​​en mikrocantilever med 50% bedre følsomhed, end det er klassisk muligt. For et sekund lange målinger, den kvanteforbedrede følsomhed var 1,7 femtometer-cirka dobbelt så stor som diameteren af ​​en carbonkerne.

"Pressede lyskilder er blevet brugt til at give kvanteforbedret følsomhed til påvisning af gravitationsbølger genereret af fusioner af sorte huller, "Pooser sagde." Vores arbejde er med til at oversætte disse kvantesensorer fra den kosmologiske skala til nanoskalaen. "

Deres tilgang til kvantemikroskopi er afhængig af kontrol af lysbølger. Når bølger kombineres, de kan forstyrre konstruktivt, hvilket betyder at amplituden af ​​toppe tilføjer for at gøre den resulterende bølge større. Eller de kan forstyrre destruktivt, hvilket betyder trugamplituder trække fra spidsamplituder for at gøre den resulterende bølge mindre. Denne effekt kan ses i bølger i en dam eller i en elektromagnetisk lysbølge som en laser.

"Interferometre deler sig og blander derefter to lysstråler for at måle små ændringer i fase, der påvirker interferensen af ​​de to stråler, når de rekombineres, "Sagde Lawrie." Vi ansatte ikke -lineære interferometre, som bruger ikke -lineære optiske forstærkere til at opdele og blande for at opnå klassisk utilgængelig følsomhed. "

Det tværfaglige studie, som udgives i Fysisk gennemgangsbreve , er den første praktiske anvendelse af ikke -lineær interferometri.

Et velkendt aspekt af kvantemekanik, Heisenberg -usikkerhedsprincippet, gør det umuligt at definere både position og momentum for en partikel med absolut sikkerhed. Et lignende usikkerhedsforhold eksisterer for lysets amplitude og fase.

Denne kendsgerning skaber et problem for sensorer, der er afhængige af klassiske lyskilder som lasere:Den højeste følsomhed, de kan opnå, minimerer Heisenberg -usikkerhedsforholdet med samme usikkerhed i hver variabel. Pressede lyskilder reducerer usikkerheden i den ene variabel samtidig med at den øger usikkerheden i den anden variabel, dermed "klemmer" usikkerhedsfordelingen op. Af den grund, det videnskabelige samfund har brugt klemning til at studere fænomener både store og små.

Følsomheden i sådanne kvantesensorer er typisk begrænset af optiske tab. "Pressede tilstande er skrøbelige kvantetilstande, "Pooser sagde." I dette eksperiment, vi var i stand til at omgå problemet ved at udnytte egenskaber ved sammenfiltring. "Forvikling betyder uafhængige objekter, der opfører sig som et. Einstein kaldte det" uhyggelig handling på afstand. "I dette tilfælde, lysstrålernes intensiteter er korreleret med hinanden på kvantenniveau.

"På grund af sammenfiltring, hvis vi måler effekten af ​​en lysstråle, det ville give os mulighed for at forudsige den andens kraft uden at måle den, "fortsatte han." På grund af sammenfiltring, disse målinger er mindre støjende, og det giver os et højere signal -til -støj -forhold. "

ORNLs tilgang til kvantemikroskopi er stort set relevant for enhver optimeret sensor, der konventionelt bruger lasere til signalaflæsning. "For eksempel, konventionelle interferometre kunne erstattes af ikke-lineær interferometri for at opnå kvanteforbedret følsomhed for biokemisk sansning, registrering af mørkt stof eller karakterisering af materialers magnetiske egenskaber "Sagde Lawrie.

Titlen på papiret er "Trunkeret ikke -lineær interferometri til kvanteforbedret atomkraftmikroskopi."