Nanoskalamålinger 100x mere præcise, takket være forbedret to-foton teknik

Præcisionen af ​​måling af nanoskopiske strukturer kunne forbedres væsentligt, takket være forskning, der involverer University of Warwick og QuantIC-forskere ved University of Glasgow og Heriot Watt University i optisk sansning.

QuantIC er UK Quantum Technology Hub inden for Quantum Enhanced Imaging og en del af UK National Quantum Technologies Program.

Ved at bruge par af fotoner, grundlæggende energikomponenter, der udgør lys, forskerne har udtænkt en måde at måle tykkelsen af ​​objekter, der er mindre end 100, 000. af bredden af ​​et menneskehår.

Den nye teknik involverer affyring af to næsten identiske fotoner på en komponent kendt som en stråledeler, og overvåge deres efterfølgende adfærd - med omkring 30, 000 fotoner detekteret i sekundet, og 500 mia. i brug gennem et komplet eksperiment.

På grund af tendensen hos identiske fotoner til at 'komponere' og fortsætte med at rejse sammen - resultatet af en delikat kvanteinterferenseffekt - tilbyder forskernes nyudviklede opsætning samme præcision og stabilitet som eksisterende en-foton-teknikker, der, på grund af det nødvendige udstyr, er dyrere.

Tilbyder en række potentielle anvendelser, herunder forskning for bedre at forstå cellemembraner og DNA, samt kvalitetskontrol for nanoskopiske 2D-materialer af et enkelt atoms tykkelse, såsom grafen, den nye forskning er også en markant forbedring af nuværende to-foton-teknikker med op til 100x bedre opløsning.

For at måle tykkelsen af ​​et gennemsigtigt objekt (enhver genstand, som en foton er i stand til at passere igennem), hver af et par identiske fotoner affyres langs separate veje:

• Foton A fortsætter derefter ind i en strålesplitter, mens foton B bremses af et gennemsigtigt objekt, før det kommer ind i den samme stråledeler.
• Sandsynligheden for, at fotonerne forlader strålesplitteren sammen, registreres derefter, hvilket giver forskere mulighed for at måle tykkelsen af ​​det gennemsigtige objekt, som Foton B passerer igennem.

Når tykkelsen af ​​prøven øges, fotonerne er mere tilbøjelige til at forlade stråledeleren separat.

Dr. George Knee fra University of Warwicks afdeling for fysik, som udviklede teorien bag den nye metode, sagde:

"Det, der virkelig er spændende ved disse resultater, er, at vi nu kan undersøge objekter nede på nanoskalaen med en optisk sensor, der fungerer på en fundamentalt anderledes fysisk effekt.

"Indtil nu, såkaldt to-foton interferens har ikke været i stand til at opnå så stor opløsning, hvilket betyder, at vi sidder fast med nogle af ulemperne ved de etablerede metoder baseret på single-photon interferens - hvilket kræver dyrere teknologi end vores nye to-foton teknik.

"Vi har formået at opnå en stor forbedring ved at indstille interferometeret til en mere følsom driftstilstand og fjerne langsom drift ved gentagne gange at skifte prøven ind og ud.

"Fordelene ved at være uigennemtrængelige for faseudsving og have stort dynamisk område betyder, at sensorer som vores kan have en stor indflydelse på biologisk billeddannelse og den tilhørende forskning, som den leverer ind i."

QuantIC medforsker og ledende forsker på projektet, Professor Daniele Faccio, hvis to foton sensing teknologi blev brugt til at generere dataene sagde:

"Resultaterne af vores samarbejde med University of Warwick tilbyder en række potentielle anvendelser, herunder forskning for bedre at forstå cellemembraner og DNA samt en kvalitetskontrol for nanoskopiske 2D-materialer af et enkelt atoms tykkelse, såsom grafen.

Vi er glade for at fremme kvantebilleddannelse og hjælpe med at fastholde Storbritanniens position i udviklingen af ​​nye kvanteteknologier."

Forskningen, Attosecond-Resolution Hong-Ou-Mandel interferometri, er udgivet af Videnskabens fremskridt .