Kvantmikroskopi

Kvantmikroskopi gör att mikroskopiska egenskaper hos materia och kvantpartiklar kan mätas och avbildas. Olika typer av mikroskopi använder kvantprinciper. Det första mikroskopet som gjorde det var scanning tunnelmikroskopet , som banade väg för utvecklingen av fotojoniseringsmikroskopet och kvantintrasslingsmikroskopet.

Skanning av tunnling

Scanning tunneling microscope (STM) använder konceptet med kvanttunneling för att direkt avbilda atomer. En STM kan användas för att studera den tredimensionella strukturen hos ett prov, genom att skanna ytan med en vass, ledande metallspets nära provet. En sådan miljö är gynnsam för kvanttunnling: en kvantmekanisk effekt som uppstår när elektroner rör sig genom en barriär på grund av deras vågliknande egenskaper. Tunneldrivning beror på barriärens tjocklek; Schrödinger -ekvationen ger sannolikheten att en partikel kommer att detekteras på bortre sidan och förutspår för en tillräckligt tunn barriär att några elektroner kommer att passera den. Detta skapar en ström över tunneln. Antalet elektroner som tunneln är beroende av barriärens tjocklek, därför beror strömmen genom barriären också på denna tjocklek. Avståndet mellan spetsen och provet påverkar strömmen som mäts av spetsen. Spetsen bildas av en enda atom som långsamt rör sig över ytan på ett avstånd av en atoms diameter. Genom att observera strömmen kan avståndet hållas ganska konstant, vilket gör att spetsen kan röra sig upp och ner enligt provets struktur.

STM fungerar bäst med ledande material för att skapa en ström. Men sedan dess skapande tillåter olika implementeringar en större mängd prover, såsom spinpolariserad scanning tunneling microscopy (SPSTM) och atomic force microscopy (AFM).

Fotojonisering

Vågfunktionen är central för kvantmekaniken . Den innehåller den maximala information som kan vara känd om en enskild partikels kvanttillstånd . Vågfunktionens kvadrat är sannolikheten för en partikels placering vid varje givet ögonblick. Direkt avbildning av en vågfunktion betraktades tidigare bara som ett gedanken-experiment , men blev rutin. En bild av en atoms exakta position eller rörelsen av dess elektroner är nästan omöjlig att mäta eftersom varje direkt observation av en atom stör dess kvantkoherens. Att observera en atoms vågfunktion och få en bild av dess fulla kvanttillstånd kräver därför att många mätningar görs, som sedan beräknas statistiskt medelvärde. Fotojoniseringsmikroskopet visualiserar direkt atomstruktur och kvanttillstånd .

Ett fotojoniseringsmikroskop använder fotojonisering, tillsammans med kvantegenskaper och principer, för att mäta atomegenskaper. Principen är att studera den rumsliga fördelningen av elektroner som stöts ut från en atom i en situation där De Broglie-våglängden blir tillräckligt stor för att kunna observeras i en makroskopisk skala. En atom i ett elektriskt fält joniseras av en fokuserad laser. Elektronen dras mot en positionskänslig detektor och strömmen mäts som en funktion av position. Appliceringen av ett elektriskt fält under fotojonisering gör det möjligt att begränsa elektronflödet längs en dimension.

Flera klassiska banor leder från atomen till valfri punkt i det klassiskt tillåtna området på detektorn, och vågor som färdas längs dessa banor producerar ett interferensmönster. En oändlig uppsättning banfamiljer leder till ett komplicerat interferensmönster på detektorn. Som sådan förlitar sig fotojoniseringsmikroskopi på förekomsten av interferens mellan olika banor genom vilka elektronen rör sig från atomen till observationsplanet, till exempel för en väteatom i parallella elektriska och magnetiska fält.

Historia och utveckling

Idén härrörde från ett experiment som föreslogs av Demkov och kollegor i början av 1980-talet. Forskarna föreslog att elektronvågor kunde avbildas när de interagerar med ett statiskt elektriskt fält så länge som de Broglie-våglängden för dessa elektroner var tillräckligt stor. Det var inte förrän 1996 som något som liknade dessa idéer bar frukt. 1996 utvecklade ett team av franska forskare det första fotoavskiljande mikroskopet. Det möjliggjorde direkt observation av den oscillerande strukturen hos en vågfunktion. Fotoavskiljning är avlägsnande av elektroner från en atom med hjälp av interaktioner med fotoner eller andra partiklar. Fotoavskiljningsmikroskopi gjorde det möjligt att avbilda den rumsliga fördelningen av den utstötta elektronen. Mikroskopet som utvecklades 1996 var det första som avbildade fotoavskiljande ringar av en negativ bromjon . Dessa bilder avslöjade interferens mellan två elektronvågor på väg till detektorn.

De första försöken att använda fotojoniseringsmikroskopi utfördes på atomer av Xenon av ett team holländska forskare 2001. Skillnaderna mellan direkt och indirekt jonisering skapar olika banor för den utgående elektronen. Direkt jonisering motsvarar elektroner som utstöts nedåt i fältet mot flaskhalsen i Coulomb + DC elektriska fältpotentialen, medan indirekt jonisering motsvarar elektroner som stöts ut från flaskhalsen i Coulomb + DC elektriska fältet och joniseras endast vid ytterligare Coulomb-interaktioner. Dessa banor producerar ett distinkt mönster som kan detekteras av en tvådimensionell flödesdetektor och därefter avbildas. Bilderna uppvisar en yttre ring som motsvarar den indirekta joniseringsprocessen och en inre ring som motsvarar den direkta joniseringsprocessen. Detta oscillerande mönster kan tolkas som interferens mellan banorna för elektronerna som rör sig från atomen till detektorn.

Nästa grupp att försöka fotojoniseringsmikroskopi använde excitation av litiumatomer i närvaro av ett statiskt elektriskt fält. Detta experiment var det första som avslöjade bevis på kvasibundna tillstånd. Ett kvasibundet tillstånd är ett "tillstånd som har en koppling till sant bundet tillstånd genom variation av någon fysisk parameter". Detta gjordes genom att fotojonisera litiumatomerna i närvaro av ett ≈1 kV/cm statiskt elektriskt fält. Detta experiment var en viktig föregångare till avbildningen av vätevågsfunktionen eftersom, i motsats till experimenten gjorda med Xenon, litiumvågfunktionsmikroskopbilder är känsliga för närvaron av resonanser. Därför avslöjades de kvasibundna tillstånden direkt.

2013 avbildade Aneta Stodolna och kollegor väteatomens vågfunktion genom att mäta ett interferensmönster på en 2D-detektor. Elektronerna är exciterade till sitt Rydbergstillstånd . I detta tillstånd är elektronorbitalen långt från centrumkärnan. Rydbergelektronen befinner sig i ett likströmsfält, vilket gör att den ligger över den klassiska joniseringströskeln, men under den fältfria joniseringsenergin. Det slutar med att elektronvågen producerar ett interferensmönster eftersom den del av vågen som är riktad mot 2D-detektorn stör den del som är riktad bort från detektorn. Detta interferensmönster visar ett antal noder som överensstämmer med nodstrukturen hos väteatomens omloppsbana

Framtida inriktningar

Samma team av forskare som avbildade väteelektronens vågfunktion försöker avbilda helium. De rapporterar betydande skillnader, eftersom helium har två elektroner, vilket kan göra det möjligt för dem att "se" intrassling.

Kvantsammanflätning

Kvantmetrologi gör exakta mätningar som inte kan uppnås klassiskt. Vanligtvis används intrassling av N-partiklar för att mäta en fas med precision ∆φ = 1/N, kallad Heisenberg-gränsen . Detta överskrider ∆φ = 1/ √ N precisionsgräns som är möjlig med N icke-trasslade partiklar, kallad standardkvantgränsen ( SQL). Signal -brusförhållandet (SNR) för en given ljusintensitet begränsas av SQL, vilket är avgörande för mätningar där sondens ljusintensitet är begränsad för att undvika att skada provet. SQL kan hanteras med hjälp av intrasslade partiklar.

Mikroskopet avbildade först ett reliefmönster av en glasplatta. I ett test var mönstret 17 nanometer högre än plattan.

Quantum intrasslingsmikroskop är en form av konfokal-typ differentiell interferens kontrastmikroskop . Intrasslade fotonpar och mer allmänt, NOON-tillstånd är belysningskällan. Två strålar av fotoner strålar vid intilliggande punkter på ett plant prov. Strålarnas interferensmönster mäts efter att de reflekterats. När de två strålarna träffar den plana ytan färdas de båda lika långa och producerar ett motsvarande interferensmönster. Detta interferensmönster ändras när strålarna träffar områden med olika höjd. Mönstren kan lösas genom att analysera interferensmönstret och fasskillnaden. Ett optiskt standardmikroskop skulle sannolikt inte upptäcka något så litet. Bilden är exakt när den mäts med intrasslade fotoner, eftersom varje intrasslad foton ger information om den andra. Därför ger de mer information än oberoende fotoner, vilket skapar skarpare bilder.

Framtida inriktningar

Entanglement-enhancement-principer kan användas för att förbättra bilden. Forskare kan därmed övervinna Rayleigh-kriteriet . Detta är idealiskt för att studera biologiska vävnader och ogenomskinliga material. Ljusintensiteten måste dock sänkas för att undvika att provet skadas.

Entangled-photon mikroskopi kan undvika fototoxicitet och fotoblekning som kommer med två-foton scanning fluorescensmikroskopi. Dessutom, eftersom interaktionsområdet inom intrasslad mikroskopi styrs av två strålar, är valet av bildplats flexibelt, vilket ger förbättrad axiell och lateral upplösning

Utöver biologiska vävnader har optiska fasmätningar med hög precision tillämpningar som gravitationsvågdetektering , mätning av materialegenskaper, såväl som medicinsk och biologisk avkänning.

Biologiska kvantljusmikroskop

Forskare har utvecklat kvantljusmikroskop baserade på pressade ljustillstånd . Klämda ljustillstånd har brusegenskaper som reduceras under skottbrusnivån i en kvadratur (som amplitud eller fas) på bekostnad av ökat brus i den ortogonala kvadraturen. Detta reducerade brus kan användas för att förbättra signal-brusförhållandet. Klämda tillstånd har visat sig tillåta en förbättring av signal-brusförhållandet på så mycket som en faktor trettio.

Det första biologiska kvantljusmikroskopet använde pressat ljus i en optisk pincett för att undersöka det inre av en levande jästcell. I experiment visades det att klämt ljus tillät mer exakt spårning av lipidgranuler som naturligt förekommer i cellen, och att detta gav en mer exakt mätning av cellens lokala viskositet. Viskositet är en viktig egenskap hos celler som är kopplad till deras hälsa, strukturella egenskaper och lokala funktion. Senare användes samma mikroskop som ett fotoniskt kraftmikroskop, som spårade en granul när den diffunderade i rummet. Detta gjorde det möjligt att demonstrera kvantförstärkt upplösning, och att detta kunde uppnås i ett mikroskop med begränsat långt sub-diffraktion.

Pressat ljus har också använts för att förbättra olinjär mikroskopi. Icke-linjära mikroskop använder intensiv laserbelysning, nära de nivåer där biologisk skada kan uppstå. Denna skada är en viktig barriär för att förbättra deras prestanda, förhindrar att intensiteten ökar och sätter därför en hård gräns för SNR. Genom att använda sammanpressat ljus i ett sådant mikroskop har forskare visat att denna gräns kan brytas - att SNR utöver det som kan uppnås under fotoskadas gränser för vanlig mikroskopi kan uppnås.

Kvantförstärkt fluorescens superupplösning

I ett fluorescensmikroskop registreras bilder av föremål som innehåller fluorescerande partiklar. Varje sådan partikel kan inte sända ut mer än en foton åt gången, en kvantmekanisk effekt som kallas foton-antiklumpning . Registrering av anti-klumpning i en fluorescensbild ger ytterligare information som kan användas för att förbättra mikroskopets upplösning bortom diffraktionsgränsen, och demonstrerades för flera typer av fluorescerande partiklar.

Intuitivt kan antibunching ses som detektion av "saknade" händelser av två fotoner som emitteras från varje partikel som inte samtidigt kan sända ut två fotoner. Det används därför för att producera en bild som skulle ha producerats med hjälp av fotoner med halva våglängden av de detekterade fotonerna. Genom att detektera N-fotonhändelser kan upplösningen förbättras med upp till en faktor N över diffraktionsgränsen.

I konventionella fluorescensmikroskop ignoreras antibuntningsinformation, eftersom samtidig detektering av multipel fotonemission kräver tidsmässig upplösning som är högre än den för de flesta vanliga kameror. Förbättrad detektorteknik möjliggjorde dock demonstrationer av kvantförstärkt superupplösning med hjälp av snabba detektormatriser, såsom enkelfoton lavindiodmatriser .

Kvantförstärkt Raman-mikroskopi

Kvantkorrelationer erbjuder ett SNR utöver fotoskadagränsen (mängden energi som kan levereras utan att skada provet) för konventionell mikroskopi. Ett koherent Raman-mikroskop erbjuder sub-våglängdsupplösning och innehåller ljus kvantkorrelerad belysning. Molekylära bindningar i en cell kan avbildas med en 35 procent förbättrad SNR jämfört med konventionell mikroskopi, vilket motsvarar en 14% förbättring av koncentrationskänsligheten.