Sự vướng víu lượng tử của photon tăng gấp đôi độ phân giải của kính hiển vi
Sử dụng một hiện tượng "kỳ lạ" của vật lý lượng tử, các nhà nghiên cứu của Caltech đã phát hiện ra một cách để tăng gấp đôi độ phân giải của kính hiển vi ánh sáng.
Trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature Communications, một nhóm do Lihong Wang, Giáo sư Kỹ thuật Y tế và Kỹ thuật Điện Bren dẫn đầu, đã chứng minh một bước tiến nhảy vọt trong kính hiển vi thông qua cái gọi là rối lượng tử. Rối lượng tử là hiện tượng trong đó hai hạt được liên kết sao cho trạng thái của hạt này tương quan với trạng thái của hạt kia, bất kể các hạt có ở gần nhau hay không. Albert Einstein gọi hiện tượng vướng víu lượng tử là "hành động ma quái ở khoảng cách xa" bởi vì nó không thể được giải thích bằng thuyết tương đối của ông.
Theo thuyết lượng tử, bất kỳ loại hạt nào cũng có thể bị vướng víu. Trong kỹ thuật kính hiển vi mới của Wang, được gọi là kính hiển vi lượng tử trùng hợp (QMC), các hạt bị vướng víu là các photon. Nói chung, hai photon vướng víu được gọi là hai photon, và điều quan trọng đối với kính hiển vi của Wang, theo một cách nào đó, chúng hành xử như một hạt đơn lẻ với động lượng gấp đôi động lượng của một photon đơn lẻ.
Vì cơ học lượng tử nói rằng tất cả các hạt cũng là sóng và bước sóng của sóng tỷ lệ nghịch với động lượng của hạt, nên hạt có động lượng có bước sóng nhỏ hơn. Do đó, vì một photon hai photon có động lượng gấp đôi một photon, nên nó có một nửa bước sóng của một photon đơn lẻ.
Đây là chìa khóa cho cách thức hoạt động của QMC. Kính hiển vi chỉ có thể chụp ảnh các đặc điểm trên vật thể có kích thước nhỏ nhất bằng một nửa bước sóng ánh sáng mà kính hiển vi sử dụng. Giảm bước sóng của ánh sáng này có nghĩa là kính hiển vi có thể nhìn thấy những vật nhỏ hơn, cải thiện độ phân giải.
Rối lượng tử không phải là cách duy nhất để giảm bước sóng ánh sáng được sử dụng trong kính hiển vi. Ví dụ, ánh sáng lục có bước sóng ngắn hơn ánh sáng đỏ và ánh sáng tím có bước sóng ngắn hơn ánh sáng lục. Nhưng do một vấn đề khác của vật lý lượng tử, ánh sáng có bước sóng ngắn hơn mang nhiều năng lượng hơn. Vì vậy, một khi bạn tiếp xúc với ánh sáng có bước sóng đủ nhỏ để chụp ảnh những vật nhỏ bé, ánh sáng sẽ mang nhiều năng lượng đến mức có thể làm hỏng vật thể được chụp ảnh, đặc biệt là những sinh vật sống như tế bào. Đây là lý do tại sao tia cực tím (UV) có bước sóng rất ngắn có thể khiến bạn bị cháy nắng.
Hạn chế này được khắc phục bằng cách sử dụng hai photon mang năng lượng thấp hơn của photon có bước sóng dài hơn, đồng thời mang bước sóng ngắn hơn của photon có năng lượng cao hơn.
Wang cho biết: “Các tế bào không thích tia UV. "Tuy nhiên, nếu chúng ta có thể chụp ảnh các tế bào bằng cách sử dụng ánh sáng 400-nanomet và đạt được hiệu ứng của ánh sáng 200-nanomet, tức là ánh sáng cực tím, thì các tế bào sẽ hài lòng và chúng ta có được độ phân giải cực tím.
Để đạt được điều này, nhóm của Wang đã chế tạo một thiết bị quang học chiếu ánh sáng laze vào một tinh thể đặc biệt giúp chuyển đổi một số photon đi qua nó thành hai photon. Ngay cả với tinh thể đặc biệt này, sự chuyển đổi này là cực kỳ hiếm, xảy ra theo thứ tự một trong một triệu photon. Sử dụng một loạt gương, thấu kính và lăng kính, mỗi hai photon - bao gồm thực tế là hai photon rời rạc - được tách ra và chuyển động dọc theo hai đường, do đó, một trong số các photon được ghép nối sẽ đi qua đối tượng được chụp ảnh còn cái kia thì không. .
Các photon đi qua vật thể được gọi là photon tín hiệu và các photon không đi qua vật thể được gọi là photon nhàn rỗi. Sau đó, những photon đó tiếp tục đi qua nhiều quang học hơn cho đến khi chúng đến được một máy dò được kết nối với máy tính để xây dựng hình ảnh của tế bào dựa trên thông tin do các photon tín hiệu mang theo. Điều đáng ngạc nhiên là, bất chấp sự hiện diện của vật thể và các đường đi riêng biệt của nó, các photon được ghép nối vẫn bị vướng víu như hai photon, hoạt động ở một nửa bước sóng.
Phòng thí nghiệm không phải là nơi đầu tiên nghiên cứu loại hình ảnh hai photon này, nhưng đây là nơi đầu tiên sử dụng khái niệm này để tạo ra một hệ thống hoạt động. "Chúng tôi đã phát triển những gì chúng tôi nghĩ là một lý thuyết chặt chẽ và các phép đo vướng víu nhanh hơn, chính xác hơn. Chúng tôi đã đạt được độ phân giải vi mô và hình ảnh tế bào.
Mặc dù về mặt lý thuyết không có giới hạn về số lượng photon có thể bị vướng víu với nhau, nhưng mỗi photon bổ sung sẽ làm tăng thêm động lượng của đa photon thu được trong khi tiếp tục giảm bước sóng của nó.
Nghiên cứu trong tương lai có thể làm vướng víu nhiều photon hơn, mặc dù ông lưu ý rằng mỗi photon bổ sung sẽ làm giảm thêm xác suất vướng víu thành công, vốn đã thấp tới mức một phần triệu, như đã đề cập ở trên.
