Billeddannelsesgennembrud kan hjælpe udviklingen af ​​kvantemikroskoper

Et gennembrud inden for kvantebilleddannelse kan føre til udviklingen af ​​avancerede former for mikroskopi til brug i medicinsk forskning og diagnostik.

Et hold fysikere fra University of Glasgow og Heriot-Watt University har fundet en ny måde at skabe detaljerede mikroskopiske billeder på under forhold, som ville få konventionelle optiske mikroskoper til at svigte.

I et nyt papir offentliggjort i dag i tidsskriftet Nature Photonics , beskriver holdet, hvordan de har genereret billeder ved at finde en ny måde at udnytte et kvantefænomen kendt som Hong-Ou-Mandel (HOM) interferens.

Opkaldt efter de tre forskere, der først demonstrerede det i 1987, opstår HOM-interferens, når kvante-sammenfiltrede fotoner passeres gennem en stråledeler - et glasprisme, som kan omdanne en enkelt lysstråle til to separate stråler, når den passerer igennem. Inde i prismet kan fotonerne enten reflekteres internt eller transmitteres udad.

Når fotonerne er identiske, vil de altid forlade splitteren i samme retning, en proces kendt som 'bunching'. Når de sammenfiltrede fotoner måles ved hjælp af fotodetektorer for enden af ​​banen for den delte lysstråle, viser et karakteristisk "dip" i lysets udgangssandsynlighedsgraf, at de bundne fotoner kun når den ene detektor og ikke den anden.

Denne dyk er Hong-Ou-Mandel-effekten, som demonstrerer den perfekte sammenfiltring af to fotoner. Det er blevet brugt i applikationer som logiske porte i kvantecomputere, som kræver perfekt sammenfiltring for at fungere.

Det er også blevet brugt i kvanteregistrering ved at sætte en gennemsigtig overflade mellem den ene udgang af stråledeleren og fotodetektoren, hvilket introducerer en meget lille forsinkelse i den tid, det tager for fotoner at blive detekteret. Sofistikeret analyse af forsinkelsen kan hjælpe med at rekonstruere detaljer som f.eks. tykkelsen af ​​overflader.

Nu har det Glasgow-ledede team anvendt det til mikroskopi ved at bruge enkeltfotonfølsomme kameraer til at måle de bundne og anti-bundne fotoner og opløse mikroskopiske billeder af overflader.

I Nature Photonics-avisen viser de, hvordan de har brugt deres opsætning til at skabe billeder i høj opløsning af noget klart akryl sprøjtet på et objektglas med en gennemsnitlig dybde på 13 mikron og et sæt bogstaver, der staver 'UofG', ætset på et stykke glas med en dybde på omkring 8 mikrometer.

Deres resultater viser, at det er muligt at skabe detaljerede, støjsvage billeder af overflader med en opløsning på mellem 1 og 10 mikron, hvilket giver resultater tæt på et konventionelt mikroskop.

Professor Daniele Faccio, fra University of Glasgows School of Physics and Astronomy, er papirets hovedforfatter. Professor Faccio sagde:"Konventionel mikroskopi ved hjælp af synligt lys har lært os meget om den naturlige verden og hjulpet os med at gøre en utrolig række teknologiske fremskridt.

"Men det har nogle begrænsninger, som kan overvindes ved at bruge kvantelys til at sondere det mikroskopiske område. I bioimaging, hvor celler kan være næsten helt gennemsigtige, kunne det være en stor fordel at kunne undersøge deres fine detaljer uden at bruge konventionelt lys - vi valgte at afbilde transparente overflader i denne forskning netop for at demonstrere dette potentiale.

"På samme måde skal prøver i konventionelle mikroskoper holdes helt stille - ved at introducere selv en lille vibration kan det introducere et sløringsniveau, som ville ødelægge et billede. Men HOM-interferens kræver kun måling af foton-korrelationer, og der er meget mindre behov for stabilitet.

"Nu hvor vi har fastslået, at det er muligt at bygge denne form for kvantemikroskopi ved at udnytte Hong-Ou-Mandel-effekten, er vi ivrige efter at forbedre teknikken for at gøre det muligt at opløse billeder i nanoskala. Det vil kræve noget smart ingeniørarbejde. at opnå, men udsigten til tydeligt at kunne se ekstremt små funktioner som cellemembraner eller endda strenge af DNA er spændende. Vi ser frem til at fortsætte med at forfine vores design." + Udforsk yderligere

Holografi 'kvantespring' kunne revolutionere billeddannelse