Brug af polarisering til at forbedre kvantebilleddannelse
Kvantebilleddannelse er et voksende felt, der udnytter lyspartiklernes eller fotonernes kontraintuitive og "uhyggelige" evne til at blive forbundet eller viklet ind under specielle omstændigheder. Hvis tilstanden af en foton i den sammenfiltrede duo bliver justeret, bliver den anden det også, uanset hvor langt fra hinanden de to fotoner måtte være.
Caltech-forskere demonstrerede i maj sidste år, hvordan en sådan sammenfiltring kunne fordoble opløsningen af klassiske lysmikroskoper og samtidig forhindre et billeddannelsessystems lys i at beskadige skrøbelige biologiske prøver. Nu har det samme hold forbedret teknikken, hvilket gør det muligt at kvantebillede hele organskiver og endda små organismer.
Ledet af Lihong Wang, Bren-professoren i medicinsk teknik og elektroteknik, bruger det nye værk sammenfiltring - hvad Albert Einstein engang berømt beskrev som "uhyggelig handling på afstand" - til at kontrollere ikke kun farven og lysstyrken af det lys, der rammer en prøve. , men også polariseringen af det lys.
"Vores nye teknik har potentialet til at bane vejen for kvantebilleddannelse på mange forskellige områder, herunder biomedicinsk billeddannelse og potentielt endda fjernføling af rum," siger Wang, som også er Andrew og Peggy Cherng Medical Engineering Leadership Chair og administrerende officer for medicinsk ingeniør.
Ligesom bølgelængde og intensitet er polarisering en grundlæggende egenskab ved lys og repræsenterer, hvilken retning den elektriske komponent af en lysbølge er orienteret i forhold til bølgens generelle bevægelsesretning. Det meste lys, inklusive sollys, er upolariseret, hvilket betyder, at dets elektromagnetiske bølger bevæger sig og bevæger sig i alle retninger.
Filtre kaldet polarisatorer kan dog bruges til at skabe lysstråler med en specifik polarisering. En lodret polarisator tillader for eksempel kun fotoner med lodret polarisering at passere igennem. Dem med vandret polarisering (hvilket betyder, at lysbølgens elektriske komponent er orienteret vandret i forhold til kørselsretningen) vil blive blokeret. Ethvert lys med andre polarisationsvinkler (mellem lodret og vandret) vil delvist passere igennem. Resultatet er en strøm af vertikalt polariseret lys.
Sådan reducerer polariserede solbriller genskin. De bruger en vertikalt polariserende kemisk belægning til at blokere sollys, der er blevet vandret polariseret ved at reflektere fra en vandret overflade, såsom en sø eller snedækket mark. Det betyder, at bæreren kun observerer lodret polariseret lys.
Når ændringer i lysintensitet eller farve ikke er nok til at give videnskabsmænd kvalitetsbilleder af bestemte objekter, kan styring af lysets polarisering i et billeddannelsessystem nogle gange give mere information om prøven og tilbyde en anden måde at identificere kontrast mellem en prøve og dens baggrund. Detektering af ændringer i polarisering forårsaget af visse prøver kan også give forskerne information om den interne struktur og adfærd af disse materialer.
Wangs nyeste mikroskopiteknik, kaldet kvantebilleddannelse ved en tilfældighed fra entanglement (ICE), udnytter sammenfiltrede fotonpar til at opnå billeder i højere opløsning af biologiske materialer, herunder tykkere prøver, og til at foretage målinger af materialer, der har, hvad forskerne kalder dobbeltbrydende egenskaber.
I stedet for konsekvent at bøje indkommende lysbølger på samme måde, som de fleste materialer gør, bøjer dobbeltbrydende materialer disse bølger i forskellige grader afhængigt af lysets polarisering og den retning, det bevæger sig i. De mest almindelige dobbeltbrydende materialer, der er studeret af forskere, er calcitkrystaller. Men biologiske materialer, såsom cellulose, stivelse og mange typer animalsk væv, herunder kollagen og brusk, er også dobbeltbrydende.
Hvis en prøve med dobbeltbrydende egenskaber placeres mellem to polarisatorer orienteret i 90 graders vinkler i forhold til hinanden, vil noget af lyset, der går gennem prøven, blive ændret i sin polarisering og vil derfor trænge igennem til detektoren, selvom alle de andre indkommende lys bør blokeres af de to polarisatorer. Det detekterede lys kan derefter give information om strukturen af prøven. Inden for materialevidenskab, for eksempel, bruger forskere dobbeltbrydningsmålinger til at få en bedre forståelse af de områder, hvor mekanisk spænding opbygges i plast.
I Wangs ICE-opsætning ledes lys først gennem en polarisator og derefter gennem et par specielle bariumboratkrystaller, som lejlighedsvis vil skabe et sammenfiltret fotonpar; Der produceres omkring et par for hver million fotoner, der passerer gennem krystallerne. Derfra vil de to sammenfiltrede fotoner forgrene sig og følge den ene af systemets to arme:den ene vil bevæge sig ligeud og følge det, der kaldes tomgangsarmen, mens den anden sporer en mere kredsløbende bane kaldet signalarmen, der får fotonen til at passere gennem genstanden af interesse.
Til sidst går begge fotoner gennem en ekstra polarisator, før de når to detektorer, som registrerer ankomsttidspunktet for de detekterede fotoner. Her opstår der dog en "uhyggelig" kvanteeffekt på grund af fotonernes sammenfiltrede natur:Detektoren i tomgangsarmen kan fungere som et virtuelt "pinhole" og "polarisationsvælger" på signalarmen, hvilket øjeblikkeligt påvirker placeringen og polariseringen af fotonen, der falder ind på objektet i signalarmen.
"I ICE-opsætningen fungerer detektorerne i signal- og tomgangsarmene som henholdsvis "rigtige" og "virtuelle" nålehuller," siger Yide Zhang, hovedforfatter på det nye papir offentliggjort i Science Advances og en postdoc-stipendiat i medicinsk teknik ved Caltech. "Denne dobbelte pinhole-konfiguration forbedrer den rumlige opløsning af objektet, der er afbildet i signalarmen. Følgelig opnår ICE højere rumlig opløsning end konventionel billeddannelse, der bruger et enkelt nålehul i signalarmen."
"Da hvert sammenfiltrede fotonpar altid ankommer til detektorerne på samme tid, kan vi undertrykke støj i billedet forårsaget af tilfældige fotoner," tilføjer Xin Tong, medforfatter af undersøgelsen og en kandidatstuderende i medicin og elektroteknik ved Caltech .
For at bestemme de dobbeltbrydende egenskaber af et materiale med en klassisk mikroskopi-opsætning skifter videnskabsmænd typisk gennem forskellige inputtilstande, belyser et objekt separat med vandret, lodret og diagonalt polariseret lys og måler derefter de tilsvarende outputtilstande med en detektor. Målet er at måle, hvordan prøvens dobbeltbrydning ændrer det billede, som detektoren modtager i hver af disse tilstande. Denne information informerer videnskabsmænd om strukturen af prøven og kan give billeder, som ellers ikke ville være mulige.
Da kvantesammenfiltring gør det muligt at forbinde parrede fotoner, uanset hvor langt fra hinanden de måtte være, forestiller Wang sig allerede, hvordan hans nye system kunne bruges til at foretage dobbeltbrydningsmålinger i rummet.
Overvej en situation, hvor noget af interesse, måske et interstellart medium, er placeret lysår væk fra Jorden. En satellit i rummet kan være placeret sådan, at den kan udsende sammenfiltrede fotonpar ved hjælp af ICE-teknikken, med to jordstationer, der fungerer som detektorer.
Den store afstand til satellitten ville gøre det upraktisk at sende nogen form for signal for at justere enhedens kildepolarisering. Men på grund af sammenfiltring vil ændring af polarisationstilstanden i tomgangsarmen svare til ændring af polariseringen af kildelyset, før strålen rammer objektet.
"Ved at bruge kvanteteknologi kan vi næsten øjeblikkeligt foretage ændringer i fotonernes polarisationstilstand, uanset hvor de er," siger Wang. "Kvanteteknologier er fremtiden. Af videnskabelig nysgerrighed er vi nødt til at udforske denne retning."
Flere oplysninger: Yide Zhang et al., Kvantebilleddannelse af biologiske organismer gennem rumlig og polarisationssammenfiltring, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk1495
Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt
Leveret af California Institute of Technology
Varme artikler
-
3D-magnetiske interaktioner kan føre til nye former for computingKredit:University of Glasgow En ny form for magnetisk interaktion, der skubber et tidligere todimensionelt fænomen ind i den tredje dimension, kan åbne op for en lang række spændende nye mulighede -
Ny teknik ser radioaktivt materiale, selv efter det er vækKredit:John Jones. Delt under en Creative Commons-licens. En ny teknik gør det muligt for forskere at karakterisere nukleart materiale, der var på et sted, selv efter at det nukleare materiale er -
Voksende dråber i matrixenSkematisk illustration af den eksperimentelle opsætning. Afhængig af kølehastighed, enten flere oliedråber af lignende størrelse (venstre, hurtig afkøling) eller færre større dråber (højre, langsom af -
Team foreslår en ny integreret strøm-udstødningskontrolløsning til stabil drift af fusionsreakto…Fig.1. God wolframudstødningsevne af græsklædt ELM-regime sammenlignet med stort Type-I ELM-regime. Kredit:EAST Team Det Eksperimentelle Avancerede Superledende Tokamak (EAST)-team har foreslået e
- Hvorfor kan du høre havet, når du holder en muslingeskal for øret?
- Sådan finder du området for en trekant
- Dubai sprøjter milliarder på megaprojekter forud for Expo
- Rekordsættende rumvandring ender med antennen på det forkerte sted
- Brug af fysik til at holde det elektriske net sikkert
- Selvmonteringsteknik kan føre til længe ventede, enkel metode til at lave mindre mikrochipmønstre