Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики использовали квантовую оптику для усовершенствования современной микроскопии и проложили путь к обнаружению свойств материалов с большей чувствительностью, чем это возможно с помощью традиционных инструментов.
«Мы показали, как использовать сжатый свет - рабочую лошадку квантовой информатики - в качестве практического ресурса для микроскопии», - сказал Бен Лори из отдела материаловедения и технологии ORNL, который руководил исследованием вместе с Рафаэлем Поузером из вычислительного отдела ORNL. Научно-технический отдел.«Мы измерили смещение микроконсоли атомно-силового микроскопа с чувствительностью выше стандартного квантового предела».
В отличие от современных классических микроскопов, квантовый микроскоп Пузера и Лори требует квантовой теории для описания своей чувствительности. Нелинейные усилители в микроскопе ORNL генерируют особый квантовый источник света, известный как сжатый свет.
«Представьте размытую картинку», - сказал Пузер. «Это шум, и некоторые мелкие детали скрыты. Классический шумный свет не позволяет вам увидеть эти детали. «Сжатая» версия менее размыта и показывает мелкие детали, которые мы не могли видеть раньше из-за шума». Он добавил: «Мы можем использовать сжатый источник света вместо лазера, чтобы уменьшить шум в показаниях нашего датчика».
Микроконсоль атомно-силового микроскопа представляет собой миниатюрный трамплин, который методично сканирует образец и изгибается, когда ощущает физические изменения. Вместе со студентами-стажерами Ником Савино, Эммой Бэтсон, Джеффом Гарсией и Джейкобом Бекки Лори и Пусер показали, что изобретенный ими квантовый микроскоп может измерять смещение микрокантилевера с чувствительностью, на 50% превышающей классическую. Для односекундных измерений чувствительность с квантовым усилением составила 1,7 фемтометра, что примерно в два раза больше диаметра ядра углерода.
«Сжатые источники света использовались для обеспечения квантово-повышенной чувствительности для обнаружения гравитационных волн, генерируемых слияниями черных дыр», - сказал Пусер. «Наша работа помогает перевести эти квантовые датчики из космологического масштаба в наномасштаб».
Их подход к квантовой микроскопии основан на управлении световыми волнами. Когда волны объединяются, они могут конструктивно интерферировать, то есть амплитуды пиков складываются, чтобы сделать результирующую волну больше. Или они могут интерферировать деструктивно, то есть минимальные амплитуды вычитаются из пиковых амплитуд, чтобы сделать результирующую волну меньше. Этот эффект можно увидеть в волнах в пруду или в электромагнитной волне света, подобной лазеру.
«Интерферометры расщепляют, а затем смешивают два световых луча для измерения небольших изменений фазы, которые влияют на интерференцию двух лучей при их рекомбинации», - сказал Лори. «Мы использовали нелинейные интерферометры, которые используют нелинейные оптические усилители для разделения и микширования для достижения недостижимой в классическом понимании чувствительности».
Междисциплинарное исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, является первым практическим применением нелинейной интерферометрии.
Хорошо известный аспект квантовой механики, принцип неопределенности Гейзенберга, делает невозможным определение положения и импульса частицы с абсолютной уверенностью. Аналогичное соотношение неопределенностей существует для амплитуды и фазы света.
Этот факт создает проблему для датчиков, которые полагаются на классические источники света, такие как лазеры: самая высокая чувствительность, которую они могут достичь, минимизирует соотношение неопределенностей Гейзенберга с одинаковой неопределенностью в каждой переменной. Сжатые источники света уменьшают неопределенность одной переменной и увеличивают неопределенность другой переменной, тем самым «сжимая» распределение неопределенности. По этой причине научное сообщество использовало сжатие для изучения как больших, так и малых явлений.
Чувствительность таких квантовых датчиков обычно ограничена оптическими потерями. «Сжатые состояния - это хрупкие квантовые состояния, - сказал Пусер. «В этом эксперименте мы смогли обойти проблему, используя свойства запутанности». Запутанность означает, что независимые объекты ведут себя как один. Эйнштейн назвал это «жутким действием на расстоянии». При этом интенсивности световых лучей коррелируют друг с другом на квантовом уровне.
«Из-за запутанности, если мы измерим мощность одного луча света, это позволит нам предсказать мощность другого, не измеряя его», - продолжил он. «Из-за запутанности эти измерения менее шумные, что дает нам более высокое отношение сигнал/шум."
Подход ORNL к квантовой микроскопии в целом применим к любому оптимизированному датчику, который обычно использует лазеры для считывания сигнала. «Например, обычные интерферометры могут быть заменены нелинейной интерферометрией для достижения квантово-повышенной чувствительности для биохимического зондирования, обнаружения темной материи или характеристики магнитных свойств материалов», - сказал Лори.