Квантовая микроскопия - Quantum microscopy

Квантовая микроскопия это новый инструмент, который позволяет измерять и непосредственно визуализировать микроскопические свойства материи и квантовых частиц. Существуют различные типы микроскопии, использующие квантовые принципы. Первым микроскопом, который использовал квантовые концепции, был сканирующий туннельный микроскоп, которые открыли путь к развитию фотоионизационного микроскопа и микроскопа квантовой запутанности.

Сканирующий туннельный микроскоп

В сканирующий туннельный микроскоп (STM) использует концепцию квантовое туннелирование для прямого изображения атомов образца. СТМ можно использовать для изучения трехмерной структуры образца путем сканирования поверхности острым металлическим проводящим наконечником на чрезвычайно малом расстоянии. Такая среда способствует квантовому туннелированию: квантово-механическому эффекту, который возникает, когда электроны движутся через барьер из-за их волновых свойств. Проходка туннелей зависит от толщины преграды. Если барьер достаточно тонкий, функция вероятности предсказывает, что некоторые электроны перейдут на другую сторону. Это создаст ток через туннель. Количество электронов, которые будут туннелировать, зависит от толщины барьера, поэтому ток через барьер также будет зависеть от толщины. В этом случае расстояние между острым металлическим наконечником и поверхностью образца будет влиять на ток, измеряемый наконечником. Острие состоит из одного атома, и он медленно сканирует поверхность на расстоянии диаметра атома. Обращая внимание на ток, расстояние можно поддерживать более или менее постоянным, позволяя наконечнику перемещаться вверх и вниз в соответствии со структурой образца. STM отслеживает даже самые мелкие детали.

STM лучше всего работает с проводящими материалами для создания тока. Однако с момента его создания были созданы различные реализации, которые позволяют использовать большее количество образцов, например, спин-поляризованную сканирующую туннельную микроскопию (SPSTM) и атомно-силовую микроскопию (AFM).

Фотоионизационная микроскопия

В волновая функция занимает центральное место в теории квантовой механики. Он содержит максимум информации, которая может быть известна о квантовом состоянии этой частицы. Квадрат волновой функции описывает вероятность того, где именно частица могла бы находиться в любой данный момент. Прямое отображение волновой функции раньше рассматривалось только как мысленный эксперимент - однако, благодаря недавним разработкам в области микроскопии, теперь это возможно.[1] Изображение точного положения атома или движения его электронов практически невозможно измерить, потому что любое прямое наблюдение атома нарушает его квантовую когерентность. Таким образом, наблюдение за волновой функцией атома и получение изображения его полного квантового состояния требует выполнения множества прямых измерений во времени, которые затем статистически усредняются. Одним из таких инструментов, недавно разработанных для прямой визуализации атомной структуры и квантовых состояний, является фотоионизационный микроскоп.[2]

Фотоионизационный микроскоп - это прибор, который использует фотоионизация, наряду с квантовыми свойствами и принципами, чтобы измерить атомные свойства. Принцип фотоионизационной микроскопии состоит в изучении пространственного распределения электронов, вылетающих из атома в ситуации, когда Длина волны де Бройля становится достаточно большим, чтобы его можно было наблюдать в макроскопическом масштабе. В экспериментах по фотоионизационной микроскопии атом в электрическом поле ионизируется лазером с четко определенной частотой, электрон притягивается к позиционно-чувствительному детектору, и ток измеряется как функция положения. Приложение электрического поля при фотоионизации позволяет ограничить поток электронов по одной координате.[3][4]

Множественные классические пути ведут от атома к любой точке классически разрешенной области на детекторе, и волны, распространяющиеся по этим путям, создают интерференционную картину. Существует бесконечное множество различных семейств траекторий, что приводит к чрезвычайно сложной интерференционной картине на детекторе. Таким образом, фотоионизационная микроскопия основана на существовании интерференции между различными траекториями, по которым электрон движется от атома к плоскости наблюдения, например, фотоионизационная микроскопия атома водорода в параллельных электрическом и магнитном полях.[5][6][7]

История и развитие

Идея фотоионизационного микроскопа, который мог бы отображать волновую функцию атома, возникла в результате эксперимента, предложенного Демковым и его коллегами в начале 1980-х годов.[8] Исследователи предположили, что электронные волны могут быть изображены при взаимодействии со статическим электрическим полем до тех пор, пока длина волны де Бройля этих электронов было достаточно большим.[8] Только в 1996 году все, что напоминало микроскопические изображения, предложенные Демковым и его коллегами, реализовалось.[1] В 1996 году группа французских исследователей разработала первый фотоотрывной микроскоп. Развитие этого микроскопа сделало возможным прямое наблюдение колебательной структуры волновой функции.[1] Фотоотрыв - это удаление электронов из атома с помощью взаимодействия с фотонами или другими частицами.[9] Фотоотрывная микроскопия позволила получить изображение пространственного распределения вылетевшего электрона. Микроскоп, разработанный в 1996 году, был первым, кто получил изображения колец фотоотщепления отрицательного иона брома (Br-).[10] Эти изображения показали интерференцию между двумя электронными волнами на пути к детектору.

Первые попытки использовать фотоионизационную микроскопию были выполнены на атомах ксенона (Xe) группой голландских исследователей в 2001 году.[1] Фотоионизация в присутствии электрического поля позволяет наблюдать квантовую природу волновой функции электрона в макроскопическом мире. Различия между прямой и непрямой ионизацией создают разные траектории уходящего электрона. Прямая ионизация соответствует электронам, выброшенным вниз по полю к узкому месту в потенциале кулоновского + постоянного электрического поля, тогда как непрямая ионизация соответствует электронам, выброшенным из узкого места в кулоновском + постоянном электрическом поле и ионизирующимся только при дальнейших кулоновских взаимодействиях.[1] Различные траектории, вызванные прямой и косвенной ионизацией, приводят к появлению четкой картины, которая может быть обнаружена двухмерным детектором потока и впоследствии отображена.[11] На изображениях показано внешнее кольцо, которое соответствует процессу непрямой ионизации, и внутреннее кольцо, которое соответствует процессу прямой ионизации. Этот колебательный паттерн можно интерпретировать как интерференцию между траекториями электронов, движущихся от атома к детектору.[1]

Следующая группа, предпринявшая попытку фотоионизационной микроскопии, использовала возбуждение атомов лития в присутствии статического электрического поля.[8] Этот эксперимент был первым, кто обнаружил доказательства квазисвязанных состояний.[8] Квазисвязанное состояние было определено как «состояние, имеющее связь с истинно связанным состоянием через изменение какого-либо физического параметра».[12] Это было сделано путем фотоионизации атомов лития в присутствии статического электрического поля ≈1 кВ / см. Этот эксперимент был важным предшественником построения изображения волновой функции водорода, потому что, в отличие от экспериментов, проведенных с ксеноном, микроскопические изображения волновой функции лития чувствительны к наличию резонансов.[8] Таким образом, квазисвязанные состояния были обнаружены напрямую. Успех этого эксперимента побудил исследователей попытаться провести микроскопию волновой функции атома водорода.

В 2013, Анета Стодольна и его коллеги изобразили волновую функцию атома водорода, измерив интерференционную картину на 2D-детекторе.[4][13] Электроны возбуждены до своего Состояние Ридберга. В этом состоянии электронная орбиталь удалена от центрального ядра. Ридберговский электрон находится в постоянном поле, что заставляет его быть выше классического порога ионизации, но ниже энергии ионизации без поля. Электронная волна в конечном итоге создает интерференционную картину, потому что часть волны, направленная к 2D-детектору, интерферирует с частью, направленной от детектора. Эта интерференционная картина показывает ряд узлов, которые согласуются с узловой структурой орбитали атома водорода.[4]

Будущие направления и приложения фотоионизационной микроскопии

Та же группа исследователей, которая изучала волновую функцию электрона водорода, теперь приступает к визуализации атома гелия (He). Они сообщают, что существуют значительные различия, поскольку гелий имеет два электрона, и что отображение этих электронов может фактически позволить им «увидеть» запутанность.[1]

Дальнейшие исследования, которые еще предстоит провести, включают изучение того, в какой степени фотоионизационная микроскопия позволяет построить интерферометр атомного размера. Если это будет выполнено, это позволит непосредственно наблюдать влияние внешнего источника отклонения от системы, такого как наличие магнитного поля или соседних ионов.[1]

Квантовый микроскоп запутывания (микроскоп с усилением запутывания)

Квантовая метрология предполагает использование квантовой механики для проведения точных измерений, чего нельзя достичь классическим способом. Обычно переплетение N частиц используется для измерения фазы с точностью ∆φ = 1 / N. называется пределом Гейзенберга. Это превышает ∆φ = 1 /√N предел точности, возможный с N незапутанными частицами, называемый стандартным квантовым пределом (SQL). Отношение сигнал / шум для данной интенсивности света ограничено стандартным квантовым пределом, который имеет решающее значение для измерений, когда интенсивность зондирующего света ограничена, чтобы избежать повреждения образца. Стандартный квантовый предел можно преодолеть с помощью квантовых запутанных частиц.

Исследователи разработали микроскоп, в котором для повышения чувствительности используется квантовая запутанность.[14][15] Эксперименты с микроскопом включали получение изображения рельефного рисунка на поверхности стеклянной пластины. В одной из этих работ узор был всего на 17 нанометров выше пластины, что может быть трудно разрешить при использовании типичных микроскопов.

Микроскопы квантовой запутанности представляют собой разновидность дифференциально-интерференционного контрастного микроскопа конфокального типа. Запутанные пары фотонов и вообще, ПОЛДЕНЬ заявляет используются как источник освещения. Два пучка фотонов попадают в два соседних пятна на образце с плоской поверхностью. Интерференционная картина лучей измеряется после их отражения. Когда два луча попадают в плоскую поверхность, они проходят одинаковую длину и создают соответствующую интерференционную картину. Эта интерференционная картина меняется, когда лучи попадают на стеклянную поверхность с разной высотой. Форму рисунков можно определить путем анализа интерференционной картины и разности фаз. Стандартный оптический микроскоп вряд ли обнаружит что-то настолько маленькое. Разница при измерении с запутанными фотонами является точной, поскольку один запутанный фотон дает информацию о другом. Следовательно, они предоставляют больше информации, чем независимые фотоны, создавая более четкие изображения.[14][16]

Будущие направления и приложения квантовой запутанной микроскопии

Принципы запутывания-улучшения могут быть использованы для значительного улучшения изображения, получаемого с помощью микроскопов. За счет усиления квантовой запутанности исследователи могут преодолеть Критерий Рэлея. Это идеально подходит для изучения непрозрачных биологических тканей и материалов. Однако ограничение состоит в том, что интенсивность света снижается, чтобы не повредить образец.[14][15]

Кроме того, использование запутанной микроскопии позволяет избежать фототоксичности и фотообесцвечивания, характерных для двухфотонной сканирующей флуоресцентной микроскопии. Кроме того, поскольку область взаимодействия в запутанной микроскопии контролируется двумя лучами, выбор места для изображения является чрезвычайно гибким, что обеспечивает улучшенное осевое и поперечное разрешение.[17]

Помимо отбора проб биологических тканей, высокоточные оптические фазовые измерения имеют дополнительные приложения, такие как обнаружение гравитационных волн, измерения свойств материалов, а также медицинские и биологические измерения.[14][15]

Квантово-улучшенное сверхразрешение в флуоресцентной микроскопии

В флуоресцентный микроскоп записываются изображения объектов, содержащих флуоресцентные частицы. Каждая такая частица может испустить не более одного фотон одновременно квантово-механический эффект, известный как антигруппировка фотонов. Запись антигруппировки на флуоресцентном изображении дает дополнительную информацию, которая может быть использована для увеличения разрешения микроскопа по сравнению с предел дифракции,[18] и был продемонстрирован для нескольких различных типов флуоресцентных частиц.[19][20][21]

Интуитивно антигруппирование можно рассматривать как обнаружение «пропущенных» событий двух фотонов, испускаемых каждой частицей, которая не может одновременно испускать два фотона. Поэтому он используется для создания изображения, подобного тому, которое было бы создано с использованием фотонов с половиной длины волны обнаруженных фотонов. Обнаруживая N-фотонные события, разрешение может быть улучшено до N раз по сравнению с дифракционным пределом.

В обычных флуоресцентных микроскопах информация о предотвращении группирования часто игнорируется, поскольку для одновременного обнаружения испускания множества фотонов требуется более высокое временное разрешение, чем у большинства широко доступных камер. Однако недавние разработки в технологии детекторов уже позволили впервые продемонстрировать квантово-улучшенное сверхразрешение с использованием быстрых массивов детекторов, таких как однофотонный лавинный диод массивы.[22]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час Николь, C; Offerhaus, H.L; Vrakking, M.J.J; Лепин, F; Бордас, гл. (2002). «Фотоионизационная микроскопия». Письма с физическими проверками. 88 (13): 133001. Bibcode:2002ПхРвЛ..88м3001Н. Дои:10.1103 / PhysRevLett.88.133001. PMID  11955092.
  2. ^ Дворский, Георгий. "Первое изображение орбитальной структуры атома водорода". io9.
  3. ^ Bordas, C; Лепин, F; Николь, C; Враккинг, М.Дж. (21 ноября 2003 г.). «Фотоионизационная микроскопия». Physica Scripta. T110: 68–72. Bibcode:2004ФСТ..110 ... 68Б. Дои:10.1238 / Physica.Topical.110a00068.
  4. ^ а б c Сминк, Кристофер (2013-05-20). «Точка зрения: новый взгляд на волновую функцию водорода». Физика. 6.
  5. ^ Ван, L; Ян, X.J; Liu, P .; Жан, М.С.; Делос, Дж. Б. (30 августа, 2010 г.). «Фотоионизационная микроскопия атома водорода в параллельном электрическом и магнитном полях». Физический обзор A. 82 (2): 022514. Bibcode:2010PhRvA..82b2514W. Дои:10.1103 / PhysRevA.82.022514.
  6. ^ Дэн М. (10.06.2016). «Фотоионизационная микроскопия атома водорода в параллельных электрическом и магнитном полях». Физический обзор A. 93 (6): 063411. Bibcode:2016PhRvA..93f3411D. Дои:10.1103 / Physreva.93.063411.
  7. ^ Deng, M .; Gao, W .; Лу, Ронг; Delos, J. B .; Ты я.; Лю, Х. П. (2016-06-10). «Фотоионизационная микроскопия атома водорода в параллельных электрическом и магнитном полях». Физический обзор A. 93 (6): 063411. Bibcode:2016PhRvA..93f3411D. Дои:10.1103 / PhysRevA.93.063411.
  8. ^ а б c d е Cohen, S .; Harb, M.M; Ollagnier, A .; Robicheaux, F .; Враккинг, M.J.J; Бариллот, Т; Le ́pine, F .; Бордас, К. (3 мая 2013 г.). "Микроскопия волновых функций квазисвязанных атомных состояний". Письма с физическими проверками. 110 (18): 183001. Bibcode:2013ПхРвЛ.110р3001С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.110.183001. PMID  23683194.
  9. ^ Пегг, Дэвид (2006). «Фотоотрыв». Справочник Springer по атомной, молекулярной и оптической физике. С. 891–899. Дои:10.1007/978-0-387-26308-3_60. ISBN  978-0-387-20802-2.
  10. ^ Блондель, С; Дельсарт, К; Dulieu, F (1996). «Микроскоп фотоотсадки». Письма с физическими проверками. 77 (18): 3755–3758. Bibcode:1996ПхРвЛ..77.3755Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.77.3755. PMID  10062300.
  11. ^ Лепин, Ф .; Bordas, C.H; Николь, C .; Враккинг, М.Дж. (2004). «Процессы фотоионизации атома под увеличением». Письма с физическими проверками. 70 (3): 033417. Bibcode:2004PhRvA..70c3417L. Дои:10.1103 / PhysRevA.70.033417.
  12. ^ Мойер, Курт (2014). «Единая теория квазисвязанных абсолютных состояний». Продвижение AIP. 4 (2): 027109. arXiv:1306.6619. Bibcode:2014AIPA .... 4b7109M. Дои:10.1063/1.4865998.
  13. ^ Стодольна, А.С.; Рузи, А; Лепин, F; Коэн, S; Robicheaux, F .; Gijsbertsen, A .; Юнгманн, J.H; Bordas, C; Враккинг, М.Дж. (2013). «Атомы водорода под увеличением: прямое наблюдение узловой структуры штарковых состояний». Письма с физическими проверками. 110 (21): 213001. Bibcode:2013ПхРвЛ.110у3001С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.110.213001. PMID  23745864.
  14. ^ а б c d Takafumi, O .; Okamoto, R .; Такеуши, С. (2013). «Микроскоп с усилением запутывания». Nature Communications. 4: 2426. arXiv:1401.8075. Bibcode:2013 НатКо ... 4.2426O. Дои:10.1038 / ncomms3426. PMID  24026165.
  15. ^ а б c Israel, Y .; Rosen, S .; Зильберберг Ю. (2014). «Сверхчувствительная поляризационная микроскопия с использованием полуденных состояний света». Письма с физическими проверками. 112 (10): 103604. Bibcode:2014PhRvL.112j3604I. Дои:10.1103 / PhysRevLett.112.103604. PMID  24679294.
  16. ^ Оркатт, Мэтт. «Первый в мире микроскоп с улучшенным запутыванием». Обзор технологий MIT.
  17. ^ Teich, M.C .; Салех, Б.Е.А. (1997). "Микроскопия запутанных фотонов". Ческословенский Casopis Pro Fyziku. 47: 3–8.
  18. ^ Schwartz, O .; Орон, Д. (16 марта 2012 г.). «Улучшенное разрешение флуоресцентной микроскопии с использованием квантовых корреляций». Физический обзор A. 85 (3): 033812. arXiv:1101.5013. Bibcode:2012PhRvA..85c3812S. Дои:10.1103 / PhysRevA.85.033812.
  19. ^ Cui, J.-M; Вс, Ф.-З .; Чен, X.-D .; Gong, Z.-J .; Gou, G.-C. (9 апреля 2013 г.). «Квантовая статистическая визуализация частиц без ограничения дифракционного предела». Письма с физическими проверками. 110 (15): 153901. arXiv:1210.2477. Bibcode:2013PhRvL.110o3901C. Дои:10.1103 / PhysRevLett.110.153901. PMID  25167270.
  20. ^ Schwartz, O .; Levitt, J.M .; Tenne, R .; Ижаков, С .; Deutsch, Z .; Орон, Д. (6 ноября 2013 г.). «Микроскопия сверхвысокого разрешения с квантовыми излучателями». Нано буквы. 13 (12): 5832–6. Bibcode:2013NanoL..13.5832S. Дои:10.1021 / nl402552m. PMID  24195698.
  21. ^ Gatto Monticonei, D .; Катамадзе, К .; Traina, p .; Морева, Е .; Forneris, J .; Ruo-Berchera, I .; Olivero, P .; Degiovanni, I.P .; Brida, G .; Дженовезе, М. (30 сентября 2014 г.). «Преодоление предела дифракции Аббе в конфокальной микроскопии с помощью неклассической статистики фотонов». Письма с физическими проверками. 113 (14): 143602. arXiv:1406.3251. Bibcode:2014ПхРвЛ.113н3602Г. Дои:10.1103 / PhysRevLett.113.143602. HDL:2318/149810. PMID  25325642.
  22. ^ Израиль, Y .; Tenne, R .; Oron, D .; Зильберберг Ю. (13 марта 2017 г.). «Квантовая корреляционная микроскопия с улучшенным разрешением и локализацией, обеспечиваемая камерой на пучке волокон». Nature Communications. 8: 14786. Bibcode:2017НатКо ... 814786I. Дои:10.1038 / ncomms14786. ЧВК  5355801. PMID  28287167.

внешняя ссылка