Новий квантовий мікроскоп дозволяє побачити «неможливі» речі

Австралійські дослідники продемонстрували роботу створеного ними нового квантового мікроскопа, який працює за межами бар’єру фундаментальних фізичних обмежень і дозволяє побачити настільки малі речі, які неможливо побачити за допомогою навіть найпотужніших класичних оптичних мікроскопів. Для отримання зображень з високою на сьогоднішній день чіткістю і роздільною здатністю це новий пристрій «стискає» світло і використовує деякі з примх таємничого квантового світу.

Оптичні мікроскопи працюють за рахунок освітлення досліджуваного зразка променями світла. Але світло від звичайного джерела, використовуваного в пристроях нижчого і середнього класу, має абсолютно випадкову природу, що само по собі є джерелом шумів і перешкод. Тому в пристроях вищого класу для освітлення зразка використовується набагато більш впорядкований світ лазера. Подальшого збільшення роздільної здатності оптичних мікроскопів домогтися досить легко — необхідно лише збільшити інтенсивність освітлення. Однак в певний момент число фотонів, що проходять крізь зразок, стає настільки велике, що це шкодить зразком і викликає в ньому незворотні зміни, що особливо згубно, якщо цими зразками є живі клітини або мікроорганізми.

Описана вище проблема якраз і є згаданим фундаментальним бар’єром роздільної здатності та чутливості мікроскопів. Але недавно дослідники з університету Квінсленда, Австралія, знайшли шлях, що дозволяє подолати цей бар’єр за рахунок використання деяких химерних законів і явищ світу квантової механіки.

У новому мікроскопі використовуються два променя лазерного світла, один з яких проходить через кристал титанів-фосфату калію. Це призводить до створення квантових кореляцій між парами фотонів в промені світла, що, в свою чергу, за допомогою таких пар дозволяє отримати більшу кількість інформації про досліджуваному зразку, ніж це можливо за допомогою звичайних незапутанних фотонів. І, в кінцевому рахунку, на датчику виходить зображення з високою роздільною здатністю і з більшою чіткістю при більш слабкої інтенсивності освітлення зразка.

«У кращих оптичних мікроскопах використовуються лазери, яскравість яких може в мільярди разів перевищувати яскравість Сонця» — розповідає Уорік Боуен (Warwick Bowen), провідний дослідник, — «Тендітні біологічні системи можуть витримувати такий вплив протягом дуже короткого часу, якого недостатньо для отримання якісного зображення. Квантова заплутаність, яка використовується в нашому мікроскопі, дозволяє збільшити чіткість зображення на 35 відсотків при такому рівні освітлення, яке не знищує живі об’єкти. наприклад, ми можемо розглядати живі клітини протягом цілої хвилини і бачити при цьому такі біологічні структури, які є невидимими для звичайних мікроскопів «.

Вчені перевірили можливості квантового мікроскопа на дріжджових клітинах, і вони змогли чітко і у всіх подробицях розглянути такі речі, як клітинну мембрану, цитозоль і органели. Однак, в цій перспективній технології є багато того, що вимагає подальших поліпшень і модернізації. При значному ускладненні конструкції мікроскопа вигода від використання квантових технологій не так вже й велика, всього 35 відсотків, а сам метод в цілому не настільки ефективний, як хотілося б. Тому вчені продовжать свою роботу, а їх метою є збільшення ефективності і інших параметрів квантового мікроскопа мінімум на порядок їх величин. Джерело