Квантовая микроскопия
Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Квантовая микроскопия позволяет измерять и отображать микроскопические свойства материи и квантовых частиц. В различных типах микроскопии используются квантовые принципы. Первым микроскопом, который сделал это, стал сканирующий туннельный микроскоп , который проложил путь к развитию фотоионизационного микроскопа и микроскопа квантовой запутанности.

Сканирующее туннелирование

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) использует концепцию квантового туннелирования для прямого изображения атомов. СТМ можно использовать для изучения трехмерной структуры образца путем сканирования поверхности острым металлическим проводящим наконечником рядом с образцом. 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 [ какая? ]предсказывает, что через него пройдут какие-то электроны. Это создает ток через туннель. Число электронов, которые туннелируют, зависит от толщины барьера, поэтому ток через барьер также зависит от этой толщины. Расстояние между зондом и образцом влияет на ток, измеряемый зондом. Острие состоит из одного атома, который медленно движется по поверхности на расстоянии одного атомного диаметра. Наблюдая за током, расстояние можно поддерживать довольно постоянным, позволяя наконечнику перемещаться вверх и вниз в соответствии со структурой образца.

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

Фотоионизация

Волновая функция играет центральную роль в квантовой механике. Он содержит максимум информации, которая может быть известна о квантовом состоянии отдельной частицы . Квадрат волновой функции - это вероятность нахождения частицы в любой момент времени. Раньше прямое отображение волновой функции считалось всего лишь практическим экспериментом , но теперь стало обычным делом. [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 измерений, которые затем статистически усредняются. фотоионизациимикроскоп непосредственно визуализирует атомную структуру и квантовые состояния. [2]

Фотоионизационный микроскоп использует фотоионизацию, наряду с квантовыми свойствами и принципами, для измерения атомных свойств. Принцип состоит в том, чтобы изучить пространственное распределение электронов, выброшенных из атома в ситуации, когда длина волны Де Бройля становится достаточно большой, чтобы ее можно было наблюдать в макроскопическом масштабе. Атом в электрическом поле ионизируется сфокусированным лазером. Электрон притягивается к чувствительному к положению детектору, и ток измеряется как функция положения. Приложение электрического поля во время фотоионизации позволяет ограничить поток электронов в одном измерении. [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. Бесконечный набор семейств траекторий приводит к 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, атома водорода в параллельных электрическом и магнитном полях. [5] [6] [7]

История и развитие

Идея 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, если длина волны де Бройля этих электронов достаточно велика. [8] Только в 1996 году что-то похожее на эти идеи принесло свои плоды. [1] В 1996 году группа французских исследователей разработала первый фотоотрывной микроскоп. Это позволило непосредственно наблюдать колебательную структуру 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 фотоотрыва отрицательного иона брома . [10] Эти изображения показали интерференцию между двумя электронными волнами на пути к детектору.

Первые попытки использовать фотоионизационную микроскопию были выполнены на атомах ксенона группой голландских исследователей в 2001 году. [1] Различия между прямой и косвенной ионизацией создают разные траектории для исходящего электрона. Прямая ионизация соответствует электронам, выбрасываемым вниз по полю к узкому месту в потенциале кулоновского + постоянного электрического поля, тогда как косвенная ионизация соответствует электронам, выброшенным из узкого места в кулоновском + постоянном электрическом поле и ионизирующимся только при дальнейших кулоновских взаимодействиях. [1] Эти траектории создают четкую картину, которую можно обнаружить с помощью двумерного магнитного детектора и впоследствии отобразить. [11]На изображениях видно внешнее кольцо, которое соответствует процессу непрямой ионизации, и внутреннее кольцо, которое соответствует процессу прямой ионизации. Этот колебательный паттерн можно интерпретировать как интерференцию траекторий движения электронов 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 - это «состояние, имеющее связь с истинно связанным состоянием через изменение некоторого физического параметра». [12] Это было сделано путем фотоионизации атомов лития в присутствии статического электрического поля ≈1 кВ / см. Этот эксперимент был важным предшественником 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.

В 2013 году Анета Стодольна и ее коллеги изобразили волновую функцию атома водорода, измерив интерференционную картину на 2D-детекторе. [4] [13] Электроны переходят в свое ридберговское состояние . 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

Та же группа исследователей, которая изобразила волновую функцию электрона водорода, пытается изобразить гелий. Они сообщают о существенных различиях, поскольку гелий имеет два электрона, что позволяет им «видеть» запутанность. [1]

Квантовая запутанность

Квантовая метрология позволяет проводить точные измерения, которых нельзя достичь классическим способом. Обычно перепутывание N частиц используется для измерения фазы с точностью ∆φ = 1 / N. называется пределом Гейзенберга . Это превышает предел точности ∆φ = 1 / √ N, возможный для N незапутанных частиц, называемый стандартным квантовым пределом (SQL). Отношение сигнал / шум (SNR) для данной интенсивности света ограничено SQL, что имеет решающее значение для измерений, когда интенсивность зондирующего света ограничена, чтобы избежать повреждения образца. С SQL можно справиться, используя запутанные частицы.

Сначала микроскоп изобразил рельефный узор на стеклянной пластине. В одном из тестов образец был на 17 нанометров выше пластины. [14] [15]

Микроскопы квантовой запутанности представляют собой разновидность дифференциально-интерференционного контрастного микроскопа конфокального типа . Запутанные пары фотонов и, в более общем смысле, состояния ПОЛДЕНЬявляются источником освещения. Два пучка фотонов излучаются в соседние точки на плоском образце. 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 в области разной высоты. Картины могут быть разрешены путем анализа интерференционной картины и разности фаз. Стандартный оптический микроскоп вряд ли обнаружит что-то настолько маленькое. Изображение является точным при измерении с помощью запутанных фотонов, поскольку каждый запутанный фотон дает информацию о другом. Следовательно, они предоставляют больше информации, чем независимые фотоны, создавая более четкие изображения. [14] [16]

Будущие направления

Принципы запутывания-улучшения могут быть использованы для улучшения изображения. Таким образом, исследователи могут преодолеть критерий Рэлея . Это идеально подходит для изучения биологических тканей и непрозрачных материалов. Однако интенсивность света необходимо уменьшить, чтобы не повредить образец. [14] [15]

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

Помимо биологических тканей, высокоточные оптические измерения фазы находят применение в обнаружении гравитационных волн , измерении свойств материалов, а также в медицинских и биологических исследованиях. [14] [15]

Биологические квантовые световые микроскопы

Исследователи разработали квантовые световые микроскопы, основанные на сжатых состояниях света . [18] [19] [20] Сжатые состояния света имеют шумовые характеристики, которые уменьшаются ниже уровня дробового шума в одной квадратуре (например, амплитуда или фаза) за счет увеличения шума в ортогональной квадратуре. Этот уменьшенный шум можно использовать для улучшения отношения сигнал / шум. Было показано, что сжатые состояния позволяют улучшить отношение сигнал / шум в тридцать раз. [20]

Первый биологический квантовый световой микроскоп использовал сжатый свет в оптическом пинцете для исследования внутренней части живой дрожжевой клетки. [18] В экспериментах было показано, что сжатый свет позволяет более точно отслеживать [ по сравнению с? ] липидных гранул, которые естественным образом встречаются в клетке, и что это обеспечивает более точное измерение [ по сравнению с? ] локальной вязкости клетки. Вязкость - важное свойство клеток, связанное с их здоровьем, структурными свойствами и локальной функцией. Позже тот же микроскоп был использован в качестве микроскопа фотонных сил, отслеживая гранулу, когда она распространялась в пространстве. [19] Это позволило продемонстрировать квантово-улучшенное разрешение, и для этого можно было добиться этого в микроскопе, ограниченном дальней субдифракцией.

Сжатый свет также используется для улучшения нелинейной микроскопии [20]. В нелинейных микроскопах используется интенсивное лазерное освещение, близкое к уровням, при которых может произойти биологическое повреждение. Это повреждение является ключевым препятствием для улучшения их характеристик, предотвращая увеличение интенсивности и, следовательно, жесткое ограничение отношения сигнал / шум. Используя сжатый свет в таком микроскопе, исследователи показали, что этот предел может быть нарушен - может быть достигнуто соотношение сигнал / шум, превышающее достижимое за пределами фото-повреждений, характерных для обычной микроскопии. [20]

Квантово-усиленное сверхразрешение флуоресценции

Во флуоресцентном микроскопе записываются изображения объектов, содержащих флуоресцентные частицы. Каждая такая частица может излучать не более одного фотона за раз - квантово-механический эффект, известный как антигруппировка фотонов . Запись анти-группировки в флуоресцентном изображении обеспечивает дополнительную информацию , которая может использоваться для повышения разрешения микроскопа за пределами дифракционного предела , [21] , и был продемонстрировано для нескольких типов люминесцентных частиц. [22] [23] [24]

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

В обычных флуоресцентных микроскопах информация о запрете группировки игнорируется, поскольку одновременное обнаружение испускания множества фотонов требует более высокого временного разрешения, чем у большинства широко доступных камер. [ требуется пояснение ] Однако улучшенная технология детекторов позволила продемонстрировать квантово-улучшенное сверхразрешение с использованием быстрых детекторных матриц, таких как решетки однофотонных лавинных диодов . [25]

Квантово-усиленная рамановская микроскопия

Квантовые корреляции предлагают отношение сигнал / шум, превышающее предел фото-повреждения (количество энергии, которое может быть доставлено без повреждения образца) традиционной микроскопии. Когерентный рамановский микроскоп предлагает субволновое разрешение и включает яркое квантово-коррелированное освещение. Молекулярные связи внутри клетки могут быть отображены с улучшенным отношением сигнал / шум на 35% по сравнению с обычной микроскопией, что соответствует повышению чувствительности к концентрации на 14%. [20]

использованная литература

  1. ^ Б с д е е г Nicole, C; Offerhaus, HL; Враккинг, MJJ; Лепин, F; Бордас, гл. (2002). «Фотоионизационная микроскопия». Письма с физическим обзором . 88 (13): 133001. Bibcode : 2002PhRvL..88m3001N . DOI : 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, MJJ (21 ноября 2003 г.). «Фотоионизационная микроскопия» . Physica Scripta . T110 : 68–72. Bibcode : 2004PhST..110 ... 68B . DOI : 10.1238 / Physica.Topical.110a00068 .
  4. ^ a b c Сминк, Кристофер (2013-05-20). «Точка зрения: новый взгляд на волновую функцию водорода» . Физика . 6 .
  5. ^ Ван, L; Ян, XJ; Liu, P .; Жан, МС; Делос, Дж. Б. (30 августа 2010 г.). «Фотоионизационная микроскопия атома водорода в параллельных электрическом и магнитном полях» . Physical Review . 82 (2): 022514. Bibcode : 2010PhRvA..82b2514W . DOI : 10.1103 / PhysRevA.82.022514 .
  6. ^ Дэн, М. (2016-06-10). «Фотоионизационная микроскопия атома водорода в параллельных электрическом и магнитном полях» . Physical Review . 93 (6): 063411. Bibcode : 2016PhRvA..93f3411D . DOI : 10.1103 / physreva.93.063411 .
  7. ^ Дэн, М .; Gao, W .; Лу, Ронг; Delos, JB; Ты я.; Лю, HP (10.06.2016). «Фотоионизационная микроскопия атома водорода в параллельных электрическом и магнитном полях» . Physical Review . 93 (6): 063411. Bibcode : 2016PhRvA..93f3411D . DOI : 10.1103 / PhysRevA.93.063411 .
  8. ^ a b c d e Cohen, S .; Харб, ММ; Ollagnier, A .; Robicheaux, F .; Враккинг, MJJ; Бариллот, Т; Le ́pine, F .; Бордас, К. (3 мая 2013 г.). "Волновая функция микроскопии квазисвязанных атомных состояний" . Письма с физическим обзором . 110 (18): 183001. Bibcode : 2013PhRvL.110r3001C . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.110.183001 . PMID 23683194 . 
  9. ^ Пегг, Дэвид (2006). «Фотоотрыв». Справочник Springer по атомной, молекулярной и оптической физике . С. 891–899. DOI : 10.1007 / 978-0-387-26308-3_60 . ISBN 978-0-387-20802-2.
  10. ^ Блондель, C; Дельсарт, К; Dulieu, F (1996). "Микроскоп фотоотсадки". Письма с физическим обзором . 77 (18): 3755–3758. Bibcode : 1996PhRvL..77.3755B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.77.3755 . PMID 10062300 . 
  11. ^ Лепин, F .; Бордас, Швейцария; Николь, C .; Враккинг, MJJ (2004). «Процессы фотоионизации атома под увеличением». Письма с физическим обзором . 70 (3): 033417. Bibcode : 2004PhRvA..70c3417L . DOI : 10.1103 / PhysRevA.70.033417 .
  12. ^ Мойер, Курт (2014). «Единая теория квазисвязанных абсолютных состояний». AIP продвигается . 4 (2): 027109. arXiv : 1306.6619 . Bibcode : 2014AIPA .... 4b7109M . DOI : 10.1063 / 1.4865998 .
  13. ^ Stodolna, AS; Rouzee, A; Лепин, F; Коэн, S; Robicheaux, F .; Gijsbertsen, A .; Юнгманн, JH; Bordas, C; Враккинг, MJJ (2013). «Атомы водорода под увеличением: прямое наблюдение узловой структуры штарковых состояний» . Письма с физическим обзором . 110 (21): 213001. Bibcode : 2013PhRvL.110u3001S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.110.213001 . PMID 23745864 . 
  14. ^ a b c d Такафуми, О .; Okamoto, R .; Такеуши, С. (2013). «Микроскоп с усилением запутывания». Nature Communications . 4 : 2426. arXiv : 1401.8075 . Bibcode : 2013NatCo ... 4.2426O . DOI : 10.1038 / ncomms3426 . PMID 24026165 . 
  15. ^ a b c Израиль, Y .; Rosen, S .; Зильберберг Ю. (2014). «Сверхчувствительная поляризационная микроскопия с использованием полуденных состояний света». Письма с физическим обзором . 112 (10): 103604. Bibcode : 2014PhRvL.112j3604I . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.112.103604 . PMID 24679294 . 
  16. ^ Оркатт, Мэтт. «Первый в мире микроскоп с улучшенным запутыванием» . MIT Technology Review .
  17. ^ Teich, MC; Салех, БЭА (1997). "Микроскопия запутанных фотонов". Ческословенский Casopis Pro Fyziku . 47 : 3–8.
  18. ^ a b Тейлор, Майкл А .; Яноусек, Иржи; Дарья, Винсент; Книттель, Иоахим; Хаге, Борис; Бачор, Ганс-А .; Боуэн, Уорвик П. (март 2013 г.). «Биологическое измерение сверх квантового предела». Природа Фотоника . 7 (3): 229–233. arXiv : 1206,6928 . DOI : 10.1038 / nphoton.2012.346 .
  19. ^ a b Тейлор, Майкл А .; Яноусек, Иржи; Дарья, Винсент; Книттель, Иоахим; Хаге, Борис; Бачор, Ганс-А .; Боуэн, Уорвик П. (4 февраля 2014 г.). «Квантовая визуализация с ограничением субдифракции в живой клетке». Physical Review X . 4 (1): 011017. arXiv : 1305.1353 . DOI : 10.1103 / PhysRevX.4.011017 .
  20. ^ a b c d e Casacio, Catxere A .; Madsen, Lars S .; Террассон, Алекс; Валид, Мухаммед; Barnscheidt, Kai; Хаге, Борис; Тейлор, Майкл А .; Боуэн, Уорвик П. (10 июня 2021 г.). «Квантово-усиленная нелинейная микроскопия». Природа . 594 (7862): 201–206. DOI : 10.1038 / s41586-021-03528-ш .
  21. ^ Schwartz, O .; Орон, Д. (16 марта 2012 г.). «Улучшенное разрешение флуоресцентной микроскопии с использованием квантовых корреляций». Physical Review . 85 (3): 033812. arXiv : 1101.5013 . Bibcode : 2012PhRvA..85c3812S . DOI : 10.1103 / PhysRevA.85.033812 .
  22. ^ Цуй, 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 физическим обзором . 110 (15): 153901. arXiv : 1210.2477 . Bibcode : 2013PhRvL.110o3901C . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.110.153901 . PMID 25167270 . 
  23. ^ Schwartz, O .; Левитт, Дж. М.; 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 . DOI : 10.1021 / nl402552m . PMID 24195698 . 
  24. ^ Gatto Monticonei, D .; Катамадзе, К .; Traina, p .; Морева, Е .; Forneris, J .; Ruo-Berchera, I .; Olivero, P .; Деджованни, ИП; Brida, G .; Дженовезе, М. (30 сентября 2014 г.). «Преодоление предела дифракции Аббе в конфокальной микроскопии с помощью неклассической статистики фотонов». Письма с физическим обзором . 113 (14): 143602. arXiv : 1406.3251 . Bibcode : 2014PhRvL.113n3602G . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.113.143602 . hdl : 2318/149810 . PMID 25325642 . 
  25. ^ Израиль, Y .; Tenne, R .; Oron, D .; Зильберберг Ю. (13 марта 2017 г.). «Квантовая корреляционная локализационная микроскопия со сверхвысоким разрешением, обеспечиваемая камерой с оптоволоконным пучком» . Nature Communications . 8 : 14786. Bibcode : 2017NatCo ... 814786I . DOI : 10.1038 / ncomms14786 . PMC 5355801 . PMID 28287167 .  

внешние ссылки

  • [1]
  1. ^ Stodolna, AS; Rouzée, A .; Lépine, F .; Cohen, S .; Robicheaux, F .; Gijsbertsen, A .; Юнгманн, JH; Bordas, C .; Враккинг, MJJ (20 мая 2013 г.). «Атомы водорода под увеличением: прямое наблюдение узловой структуры штарковых состояний» . Письма с физическим обзором . 110 (21): 213001. DOI : 10,1103 / PhysRevLett.110.213001 .
Источник « https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Quantum_microscopy&oldid=1035459969 »
Contribute a better translation