Kvantová mikroskopie - Quantum microscopy

Kvantová mikroskopie je nový nástroj, který umožňuje měřit a přímo vizualizovat mikroskopické vlastnosti hmoty a kvantových částic. Existují různé typy mikroskopie, které používají kvantové principy. První mikroskop využívající kvantové koncepty byl skenovací tunelovací mikroskop, která připravila půdu pro vývoj fotoionizačního mikroskopu a mikroskopu pro kvantové zapletení.

Skenovací tunelovací mikroskop

The skenovací tunelovací mikroskop (STM) používá koncept kvantové tunelování přímo zobrazovat atomy vzorku. STM lze použít ke studiu trojrozměrné struktury vzorku skenováním povrchu pomocí ostré kovové vodivé špičky v extrémně malé vzdálenosti. Takové prostředí je příznivé pro kvantové tunelování: kvantově mechanický efekt, ke kterému dochází, když se elektrony pohybují bariérou kvůli jejich vlastnostem podobným vlnám. Tunelování závisí na tloušťce bariéry. Pokud je bariéra přiměřeně tenká, funkce pravděpodobnosti předpovídá, že některé elektrony projdou na druhou stranu. Tím se v tunelu vytvoří proud. Počet elektronů, které budou tunelovat, závisí na tloušťce bariéry, proto bude proud přes bariéru také záviset na tloušťce. V tomto případě bude vzdálenost mezi ostrou kovovou špičkou a povrchem vzorku ovlivňovat proud měřený špičkou. Špička je tvořena jedním jediným atomem a pomalu skenuje po povrchu ve vzdálenosti průměru atomu. Věnováním pozornosti proudu lze vzdálenost udržovat víceméně konstantní, což umožňuje špičce pohybovat se nahoru a dolů podle struktury vzorku. STM dokáže sledovat i ty nejmenší detaily.

STM pracuje nejlépe s vodivými materiály, aby vytvořil proud. Od svého vytvoření však byly vytvořeny různé implementace, které umožňují větší škálu vzorků, jako je spinově polarizovaná skenovací tunelovací mikroskopie (SPSTM) a mikroskopie atomových sil (AFM).

Fotoionizační mikroskopie

The vlnová funkce je ústředním bodem teorie kvantové mechaniky. Obsahuje maximum informací, které lze o kvantovém stavu dané částice vědět. Čtverec vlnové funkce popisuje pravděpodobnost, kde přesně by se mohla částice v daném okamžiku nacházet. Přímé zobrazování vlnové funkce se dříve považovalo pouze za a experiment gedanken - vzhledem k nedávnému vývoji mikroskopie je však nyní možné dosáhnout.[1] Obraz přesné polohy atomu nebo pohybu jeho elektronů je téměř nemožné měřit, protože jakékoli přímé pozorování atomu narušuje jeho kvantovou koherenci. Proto pozorování vlnové funkce atomu a získání obrazu jeho úplného kvantového stavu vyžaduje mnoho přímých měření v průběhu času, která jsou poté statisticky zprůměrována. Jedním z takových nástrojů, který byl nedávno vyvinut k přímé vizualizaci atomové struktury a kvantových stavů, je fotoionizační mikroskop.[2]

Fotoionizační mikroskop je nástroj, který používá fotoionizace spolu s kvantovými vlastnostmi a principy za účelem měření atomových vlastností. Princip fotoionizační mikroskopie spočívá ve studiu prostorové distribuce elektronů vystřelených z atomu v situaci, kdy De Broglieho vlnová délka se stane dostatečně velkým, aby bylo možné jej pozorovat v makroskopickém měřítku. V experimentech s fotoionizační mikroskopií je atom v elektrickém poli ionizován laserem s ostře definovanou frekvencí, elektron je přitahován k detektoru citlivému na polohu a proud je měřen jako funkce polohy. Aplikace elektrického pole během fotoionizace umožňuje omezit tok elektronů podél jedné souřadnice.[3][4]

Několik atomových drah vede z atomu do libovolného bodu v klasicky povolené oblasti detektoru a vlny pohybující se po těchto drahách vytvářejí interferenční obrazec. Existuje nekonečná sada různých rodin trajektorií, což vede k extrémně komplikovanému interferenčnímu vzoru na detektoru. Fotoionizační mikroskopie jako taková závisí na existenci interferencí mezi různými trajektoriemi, kterými se elektron pohybuje z atomu do roviny pozorování, například fotoionizační mikroskopie atomu vodíku v paralelních elektrických a magnetických polích.[5][6][7]

Historie a vývoj

Myšlenka na fotoionizační mikroskop, který by dokázal zobrazit vlnovou funkci atomu, vycházela z experimentu navrhovaného Demkovem a kolegy na začátku 80. let.[8] Vědci navrhli, že při interakci se statickým elektrickým polem lze zobrazovat elektronové vlny, pokud vlnová délka de Broglie těchto elektronů bylo dostatečně velké.[8] Teprve v roce 1996 se uskutečnilo cokoli, co připomínalo mikroskopické obrazy navržené Demkovem a kolegy.[1] V roce 1996 vyvinul tým francouzských vědců první fotodetachmentový mikroskop. Vývoj tohoto mikroskopu umožnil přímé pozorování oscilační struktury vlnové funkce.[1] Fotodetachment je odstranění elektronů z atomu pomocí interakcí s fotony nebo jinými částicemi.[9] Mikroskopie fotodetachmentu umožnila zobrazit prostorové rozložení vysunutého elektronu. Mikroskop vyvinutý v roce 1996 jako první zobrazil prstence fotodetachmentu negativního bromového (Br-) iontu.[10] Tyto obrazy odhalily interference mezi dvěma elektronovými vlnami na cestě k detektoru.

První pokusy o použití fotoionizační mikroskopie byly provedeny na atomech xenonu (Xe) týmem nizozemských vědců v roce 2001.[1] Fotoionizace v přítomnosti elektrického pole umožňuje pozorovat kvantovou povahu vlnové funkce elektronu v makroskopickém světě. Rozdíly mezi přímou a nepřímou ionizací vytvářejí různé trajektorie pro odcházející elektron, které mají následovat. Přímá ionizace odpovídá elektronům vyhozeným z dolního pole směrem k úzkému místu v potenciálu elektrického pole Coulomb + dc, zatímco nepřímá ionizace odpovídá elektronům vyhozeným ze zúženého místa v elektrickém poli Coulomb + dc a ionizuje se pouze při dalších interakcích Coulomb.[1] Různé trajektorie způsobené přímou a nepřímou ionizací vedou k výraznému vzoru, který může být detekován dvojrozměrným detektorem toku a následně zobrazen.[11] Snímky vykazovaly vnější kruh, který odpovídal procesu nepřímé ionizace, a vnitřní kruh, který odpovídal procesu přímé ionizace. Tento oscilační vzorec lze interpretovat jako interference mezi trajektoriemi elektronů pohybujících se od atomu k detektoru.[1]

Další skupina, která se pokusila o fotoionizační mikroskopii, použila excitaci atomů lithia v přítomnosti statického elektrického pole.[8] Tento experiment jako první odhalil důkazy o kvaziboundních stavech.[8] Kvazi vázaný stav byl definován jako „stav mající souvislost se skutečným vázaným stavem prostřednictvím variace nějakého fyzického parametru“.[12] To bylo provedeno fotoionizací atomů lithia v přítomnosti statického elektrického pole ≈1 kV / cm. Tento experiment byl důležitým předchůdcem zobrazování funkce vodíkových vln, protože na rozdíl od experimentů prováděných s xenonem jsou mikroskopické snímky funkcí lithiových vln citlivé na přítomnost rezonancí.[8] Proto byly kvazi vázané státy přímo odhaleny. Úspěch tohoto experimentu vedl vědce k pokusu o mikroskopii vlnové funkce atomu vodíku.

V roce 2013, Aneta Stodolna a kolegové zobrazili vlnovou funkci atomu vodíku měřením interferenčního vzoru na 2D detektoru.[4][13] Elektrony jsou nadšené Stát Rydberg. V tomto stavu je elektronový orbitál daleko od středového jádra. Rydbergův elektron je v DC poli, což způsobuje, že je nad klasickým ionizačním prahem, ale pod ionizační energií bez pole. Elektronová vlna nakonec produkuje interferenční obrazec, protože část vlny směřující k 2D detektoru interferuje s částí směřující od detektoru. Tento interferenční vzor ukazuje počet uzlů, které jsou v souladu s uzlovou strukturou atomu vodíku na oběžné dráze[4]

Budoucí směry a aplikace fotoionizační mikroskopie

Stejný tým vědců, který zobrazil vlnovou funkci elektronu vodíku, se nyní pustil do zobrazování atomu helia (He). Uvádějí, že existují značné rozdíly, protože helium má dva elektrony a že zobrazování těchto elektronů jim může skutečně umožnit „vidět“ zapletení.[1]

Mezi další studie, které zbývají, patří zkoumání toho, do jaké míry umožňuje fotoionizační mikroskopie konstrukci interferometru atomové velikosti. Pokud by bylo dosaženo, umožnilo by to přímé pozorování vlivu vnějšího zdroje odchylky od systému, jako je přítomnost magnetického pole nebo sousedních iontů.[1]

Kvantový zapletený mikroskop (mikroskop se zapletením)

Kvantová metrologie zahrnuje použití kvantové mechaniky k přesnému měření, kterého nelze dosáhnout klasicky. Zapletení N částic se obvykle používá k měření fáze s přesností ∆φ = 1 / N. nazývá Heisenbergův limit. To přesahuje ∆φ = 1 /√N přesný limit je možný u N nezapletených částic, nazývaných standardní kvantový limit (SQL). Poměr signálu k šumu pro danou intenzitu světla je omezen standardním kvantovým limitem, který je kritický pro měření, kde je intenzita světla sondy omezena, aby nedošlo k poškození vzorku. Standardní kvantový limit lze řešit pomocí kvantově zapletených částic.

Vědci vyvinuli mikroskop, který ke zvýšení své citlivosti využívá kvantové zapletení.[14][15] Experimentování mikroskopu zahrnovalo zobrazení vzoru vytesaného reliéfem na povrchu skleněné desky. V jedné z těchto prací byl vzor pouze o 17 nanometrů vyšší než deska, což je obtížné vyřešit při použití typických mikroskopických přístrojů.

Kvantové zapletené mikroskopy jsou formou diferenciálního interferenčního kontrastního mikroskopu konfokálního typu. Zapletené fotonové páry a obecněji Poledne uvádí se používají jako zdroj osvětlení. Dva paprsky fotonů jsou vyzařovány na dvě sousední místa na vzorku s plochým povrchem. Po jejich odrazu se měří interferenční obrazec paprsků. Když dva paprsky narazí na rovný povrch, oba cestují stejnou délkou a vytvářejí odpovídající interferenční obrazec. Tento interferenční obrazec se mění, když paprsky narazí na část na skleněné ploše, která má jinou výšku. Tvar vzorů lze vyřešit analýzou interferenčního vzoru a fázového rozdílu. Je nepravděpodobné, že by standardní optický mikroskop detekoval něco tak malého. Rozdíl při měření se zapletenými fotony je přesný, protože jeden zapletený foton poskytuje informace o druhém. Poskytují proto více informací než nezávislé fotony a vytvářejí ostřejší obrazy.[14][16]

Budoucí směry a aplikace kvantové zapletené mikroskopie

Principy vylepšení zapletení lze použít k obrovskému vylepšení obrazu poskytovaného mikroskopy. Vylepšením pomocí kvantového zapletení jsou vědci schopni překonat Rayleighovo kritérium. To je ideální pro studium biologických tkání a materiálů, které jsou neprůhledné. Omezení však spočívá v tom, že intenzita světla je snížena, aby nedošlo k poškození vzorku.[14][15]

Dále se použitím zapletené mikroskopie lze vyhnout fototoxicitě a bělení světla, které přichází s dvoufotonovou skenovací fluorescenční mikroskopií. Kromě toho, protože oblast interakce v zapletené mikroskopii je řízena dvěma paprsky, je výběr místa pro zobrazení extrémně flexibilní, což poskytuje vylepšené axiální a boční rozlišení[17]

Kromě odběru biologických tkání mají vysoce přesná optická fázová měření další aplikace, jako je detekce gravitačních vln, měření vlastností materiálů, jakož i lékařské a biologické snímání.[14][15]

Kvantově vylepšené super rozlišení ve fluorescenční mikroskopii

V fluorescenční mikroskop, jsou zaznamenávány obrazy objektů, které obsahují fluorescenční částice. Každá taková částice nemůže emitovat více než jednu foton najednou, kvantově-mechanický jev známý jako fotonový antibunching. Záznam anti-shlukování do fluorescenčního obrazu poskytuje další informace, které lze použít ke zvýšení rozlišení mikroskopu nad difrakční limit,[18] a byla prokázána pro několik různých typů fluorescenčních částic.[19][20][21]

Intuitivně lze antibunching považovat za detekci „chybějících“ událostí dvou fotonů emitovaných z každé částice, která nemůže současně emitovat dva fotony. Používá se proto k výrobě obrazu podobného tomu, který by byl vyroben pomocí fotonů s poloviční vlnovou délkou detekovaných fotonů. Detekcí událostí N-fotonu lze zlepšit rozlišení až o faktor N nad mezní hodnotou difrakce.

V konvenčních fluorescenčních mikroskopech jsou informace o antibunchingu často ignorovány, protože simultánní detekce emise více fotonů vyžaduje časové rozlišení vyšší než rozlišení většiny běžně dostupných kamer. Nedávný vývoj v technologii detektorů však již umožnil první demonstrace kvantově vylepšeného superrozlišení pomocí rychlých polí detektorů, jako je například jednofotonová lavinová dioda pole.[22]

Reference

  1. ^ A b C d E F G h Nicole, C; Offerhaus, H. L.; Vrakking, M.J.J; Lépine, F; Bordas, Ch. (2002). "Fotoionizační mikroskopie". Dopisy o fyzické kontrole. 88 (13): 133001. Bibcode:2002PhRvL..88m3001N. doi:10.1103 / PhysRevLett.88.133001. PMID  11955092.
  2. ^ Dvorský, Georgi. „První snímek orbitální struktury atomu vodíku vůbec“. io9.
  3. ^ Bordas, C; Lepine, F; Nicole, C; Vrakking, M.J.J (21. listopadu 2003). "Fotoionizační mikroskopie". Physica Scripta. T110: 68–72. Bibcode:2004PhST..110 ... 68B. doi:10.1238 / Physica.Topical.110a00068.
  4. ^ A b C Smeenk, Christopher (2013-05-20). „Pohled: Nový pohled na funkci vodíkových vln“. Fyzika. 6.
  5. ^ Wang, L; Yang, X.J; Liu, P .; Zhan, M.S .; Delos, J. B. (30. srpna 2010). "Fotoionizační mikroskopie atomu vodíku v paralelních elektrických a magnetických polích". Fyzický přehled A. 82 (2): 022514. Bibcode:2010PhRvA..82b2514W. doi:10.1103 / PhysRevA.82.022514.
  6. ^ Deng, M. (10.6.2016). "Fotoionizační mikroskopie pro atom vodíku v paralelních elektrických a magnetických polích". Fyzický přehled A. 93 (6): 063411. Bibcode:2016PhRvA..93f3411D. doi:10.1103 / physreva.93.063411.
  7. ^ Deng, M .; Gao, W .; Lu, Rong; Delos, J. B .; Ty já.; Liu, H. P. (10.06.2016). "Fotoionizační mikroskopie pro atom vodíku v paralelních elektrických a magnetických polích". Fyzický přehled A. 93 (6): 063411. Bibcode:2016PhRvA..93f3411D. doi:10.1103 / PhysRevA.93.063411.
  8. ^ A b C d E Cohen, S .; Harb, M.M .; Ollagnier, A .; Robicheaux, F .; Vrakking, M.J.J; Barillot, T; Le ́pine, F .; Bordas, C (3. května 2013). "Mikroskopie vlnové funkce kvaziboundních atomových stavů". Dopisy o fyzické kontrole. 110 (18): 183001. Bibcode:2013PhRvL.110r3001C. doi:10.1103 / PhysRevLett.110.183001. PMID  23683194.
  9. ^ Pegg, David (2006). "Fotodetachment". Springer Handbook of Atomic, Molecular, and Optical Physics. str. 891–899. doi:10.1007/978-0-387-26308-3_60. ISBN  978-0-387-20802-2.
  10. ^ Blondel, C; Delsart, C; Dulieu, F (1996). "Mikroskop fotodetachmentu". Dopisy o fyzické kontrole. 77 (18): 3755–3758. Bibcode:1996PhRvL..77,3755B. doi:10.1103 / PhysRevLett.77.3755. PMID  10062300.
  11. ^ Lepine, F .; Bordas, C.H .; Nicole, C .; Vrakking, M.J.J (2004). "Atomové fotoionizační procesy pod zvětšením". Dopisy o fyzické kontrole. 70 (3): 033417. Bibcode:2004PhRvA..70c3417L. doi:10.1103 / PhysRevA.70.033417.
  12. ^ Moyer, Curt (2014). "Jednotná teorie kvazi vázaných ostrých stavů". Zálohy AIP. 4 (2): 027109. arXiv:1306.6619. Bibcode:2014AIPA .... 4b7109M. doi:10.1063/1.4865998.
  13. ^ Stodolna, A.S .; Rouzee, A; Lepine, F; Cohen, S; Robicheaux, F .; Gijsbertsen, A .; Jungmann, J.H; Bordas, C; Vrakking, M.J.J (2013). „Atomy vodíku pod zvětšením: přímé pozorování uzlové struktury hvězdných států“. Dopisy o fyzické kontrole. 110 (21): 213001. Bibcode:2013PhRvL.110u3001S. doi:10.1103 / PhysRevLett.110.213001. PMID  23745864.
  14. ^ A b C d Takafumi, O .; Okamoto, R .; Takeushi, S. (2013). "Mikroskop se zapletením". Příroda komunikace. 4: 2426. arXiv:1401.8075. Bibcode:2013NatCo ... 4.2426O. doi:10.1038 / ncomms3426. PMID  24026165.
  15. ^ A b C Izrael, Y .; Rosen, S .; Silberberg, Y. (2014). "Supersenzitivní polarizační mikroskopie využívající NOON States of Light". Dopisy o fyzické kontrole. 112 (10): 103604. Bibcode:2014PhRvL.112j3604I. doi:10.1103 / PhysRevLett.112.103604. PMID  24679294.
  16. ^ Orcutt, Matt. „První mikroskop se zapletením na světě“. Recenze technologie MIT.
  17. ^ Teich, M.C .; Saleh, B.E.A. (1997). "Zapletená fotonová mikroskopie". Ceskoslovensky Casopis Pro Fyziku. 47: 3–8.
  18. ^ Schwartz, O .; Oron, D. (16. března 2012). "Vylepšené rozlišení ve fluorescenční mikroskopii pomocí kvantových korelací". Fyzický přehled A. 85 (3): 033812. arXiv:1101.5013. Bibcode:2012PhRvA..85c3812S. doi:10.1103 / PhysRevA.85.033812.
  19. ^ Cui, J.-M; Sun, F.-W; Chen, X.-D .; Gong, Z.-J .; Gou, G.-C. (9. dubna 2013). „Kvantové statistické zobrazování částic bez omezení difrakčního limitu“. Dopisy o fyzické kontrole. 110 (15): 153901. arXiv:1210.2477. Bibcode:2013PhRvL.110o3901C. doi:10.1103 / PhysRevLett.110.153901. PMID  25167270.
  20. ^ Schwartz, O .; Levitt, J.M .; Tenne, R .; Itzhakov, S .; Deutsch, Z .; Oron, D. (6. listopadu 2013). "Superrozlišovací mikroskopie s kvantovými vysílači". Nano dopisy. 13 (12): 5832–6. Bibcode:2013NanoL..13.5832S. doi:10,1021 / nl402552m. PMID  24195698.
  21. ^ Gatto Monticonei, D .; Katamadze, K .; Traina, s .; Moreva, E .; Forneris, J .; Ruo-Berchera, I .; Olivero, P .; Degiovanni, I.P .; Brida, G .; Genovese, M. (30. září 2014). "Překonání Abbeho difrakčního limitu v konfokální mikroskopii pomocí neklasické fotonové statistiky". Dopisy o fyzické kontrole. 113 (14): 143602. arXiv:1406.3251. Bibcode:2014PhRvL.113n3602G. doi:10.1103 / PhysRevLett.113.143602. hdl:2318/149810. PMID  25325642.
  22. ^ Izrael, Y .; Tenne, R .; Oron, D .; Silberberg, Y. (13. března 2017). „Kvantová korelace vylepšená lokalizační mikroskopie se superrozlišením umožněná kamerou svazku vláken“. Příroda komunikace. 8: 14786. Bibcode:2017NatCo ... 814786I. doi:10.1038 / ncomms14786. PMC  5355801. PMID  28287167.

externí odkazy