Kvantni mikroskop i sablasna fizika udvostručuju rezoluciju

Znanstvenici instituta Caltech predvođeni profesorom medicinskog inženjerstva i elektrotehnike Lihong Wangom, demonstrirali su skok naprijed u mikroskopiji kroz ono što je poznato kao kvantna isprepletenost. Kvantna isprepletenost je fenomen u kojem su dvije čestice povezane tako da je stanje jedne čestice povezano sa stanjem druge čestice bez obzira na to jesu li čestice blizu jedna drugoj ili udaljene. Albert Einstein je kvantnu isprepletenost nazivao "sablasnom radnjom na daljinu" jer se nije mogla objasniti njegovom teorijom relativnosti. 

Prema kvantnoj teoriji, bilo koja vrsta čestice može se zaplesti. U slučaju Wangove nove mikroskopske tehnike, nazvane kvantna mikroskopija slučajnosti (QMC), zapletene čestice su fotoni. Zajedno, dva isprepletena fotona poznata su kao bifoton i oni se na neki način ponašaju kao jedna čestica koja ima dvostruko veći moment od jednog fotona.

Budući da kvantna mehanika kaže da su sve čestice također valovi, te da je valna duljina vala obrnuto proporcionalna momentu čestice, čestice s većim momentima imaju manje valne duljine. Budući da bifoton ima dvostruko veći moment od fotona, njegova je valna duljina upola manja od pojedinačnih fotona. 

Ovo je ključno za funkcioniranje QMC-a. Mikroskop može prikazati samo značajke objekta čija je najmanja veličina polovica valne duljine svjetlosti koju koristi mikroskop. Smanjenje valne duljine te svjetlosti znači da mikroskop može vidjeti čak i manje stvari, što rezultira povećanom rezolucijom.

Kvantno ispreplitanje nije jedini način smanjenja valne duljine svjetlosti koja se koristi u mikroskopu. Na primjer, zelena svjetlost ima kraću valnu duljinu od crvene svjetlosti, a ljubičasta kraću od zelene svjetlosti. Ali zbog još jedne mane kvantne fizike, svjetlost kraćih valnih duljina nosi više energije. Dakle, jednom kada se spustite do svjetlosti valne duljine koja je dovoljno mala da prikaže sićušne stvari, svjetlost nosi toliko energije da će oštetiti predmete koji se prikazuju, posebno živa bića kao što su stanice. Zbog toga ultraljubičasto (UV) svjetlo, koje ima vrlo kratku valnu duljinu, uzrokuje opekline.

"Stanice ne vole UV svjetlo", kaže Wang. "Ali ako možemo upotrijebiti svjetlo od 400 nanometara za prikaz stanice i postići učinak svjetla od 200 nm, stanice će biti sretne, a mi dobivamo UV razlučivost."

Kako bi to postigao, Wangov tim napravio je optički aparat koji usmjerava lasersko svjetlo u posebnu vrstu kristala koji pretvara neke od fotona koji prolaze kroz njega u bifotone. Čak i korištenjem ovog posebnog kristala, pretvorba je vrlo rijetka i događa se u otprilike jednom od milijun fotona.

Koristeći niz zrcala, leća i prizmi, svaki bifoton, koji se zapravo sastoji od dva diskretna fotona, dijeli se i premješta duž dvije putanje, tako da jedan od uparenih fotona prolazi kroz objekt koji se snima, a drugi ne. Foton koji prolazi kroz objekt naziva se signalni foton, a onaj koji ne prolazi, ležeći foton. Ti fotoni zatim nastavljaju dalje kroz više optika sve dok ne dođu do detektora spojenog na računalo koje gradi sliku stanice na temelju informacija koje nosi signalni foton. 

Wang kaže da bi buduća istraživanja mogla omogućiti ispreplitanje još više fotona, iako napominje da svaki dodatni foton dodatno smanjuje vjerojatnost uspješnog ispreplitanja, koja je, kao što je gore spomenuto, već niska kao šansa jedan naprema milijun. 

Istraživanje objavljeno u časopisu Nature Communications možete pronaći na ovoj poveznici.