Onderzoekers van de Universiteit van Toronto (U of T) hebben een manier aangetoond om de resolutie van microscopen en telescopen te verhogen tot voorbij de lang aanvaarde beperkingen door gebruik te maken van voorheen verwaarloosde eigenschappen van licht. Met deze methode kunnen waarnemers zeer kleine of verre objecten onderscheiden die zo dicht bij elkaar staan ​​dat ze normaal gesproken samensmelten tot een enkele waas.

Telescopen en microscopen zijn geweldig voor het observeren van eenzame onderwerpen. Wetenschappers kunnen een enkele verre ster nauwkeurig detecteren en meten. Hoe langer ze observeren, hoe verfijnder hun gegevens worden.

Maar objecten zoals dubbelsterren werken niet op dezelfde manier.

Dat komt omdat zelfs de beste telescopen onderhevig zijn aan natuurwetten die ervoor zorgen dat licht zich verspreidt of 'diffracteert'. Een scherpe punt wordt een altijd zo licht wazige stip. Als twee sterren zo dicht bij elkaar staan ​​dat hun vervagingen elkaar overlappen, geen enkele hoeveelheid observatie kan ze scheiden. Hun individuele informatie gaat onherroepelijk verloren.

Meer dan 100 jaar geleden, De Britse natuurkundige John William Strutt - beter bekend als Lord Rayleigh - bepaalde de minimale afstand tussen objecten die een telescoop nodig heeft om elk afzonderlijk te kunnen onderscheiden. Het "Rayleigh-criterium" is sindsdien een inherente beperking van het gebied van optica geweest.

telescopen, Hoewel, registreer alleen de "intensiteit" of helderheid van het licht. Licht heeft andere eigenschappen waardoor men nu het Rayleigh-criterium lijkt te omzeilen.

"Om Rayleigh's vloek te verslaan, je moet iets slims doen, " zegt professor Aephraim Steinberg, een natuurkundige bij U of T's Center for Quantum Information and Quantum Control, en Senior Fellow in het Quantum Information Science-programma van het Canadian Institute for Advanced Research. Hij is de hoofdauteur van een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven .

Sommige van deze slimme ideeën werden erkend met de Nobelprijs voor de Scheikunde 2014, merkt Steinberg op, maar die methoden zijn allemaal nog steeds alleen afhankelijk van intensiteit, beperking van de situaties waarin ze kunnen worden toegepast. "We hebben een andere eigenschap van licht gemeten die 'fase' wordt genoemd. En fase geeft je net zoveel informatie over bronnen die heel dicht bij elkaar liggen als die met grote scheidingen."

Licht reist in golven, en alle golven hebben een fase. Fase verwijst naar de locatie van de toppen en dalen van een golf. Zelfs wanneer een paar dicht bij elkaar liggende lichtbronnen vervaagt tot een enkele klodder, informatie over hun individuele golffasen blijft intact. Je moet alleen weten hoe je het moet zoeken. Deze realisatie werd gepubliceerd door de National University of Singapore-onderzoekers Mankei Tsang, Ranjith Nair, en Xiao-Ming Lu vorig jaar in Physical Review X, en Steinberg's en drie andere experimentele groepen begonnen onmiddellijk met het bedenken van verschillende manieren om het in de praktijk te brengen.

"We hebben geprobeerd het eenvoudigste te bedenken wat je zou kunnen doen, " zegt Steinberg. "Om met de fase te spelen, je moet een golf vertragen, en licht is eigenlijk gemakkelijk te vertragen."

Zijn team, waaronder promovendi Edwin (Weng Kian) Tham en Huge Ferretti, splits testbeelden in tweeën. Licht van elke helft gaat door glas van een andere dikte, die de golven voor verschillende tijdsperioden vertraagt, hun respectievelijke fasen veranderen. Als de stralen weer samenkomen, ze creëren verschillende interferentiepatronen die de onderzoekers vertellen of het originele beeld één of twee objecten bevatte - met resoluties die ver boven het Rayleigh-criterium liggen.

Tot dusver, Het team van Steinberg heeft de methode alleen getest in kunstmatige situaties met zeer beperkende parameters.

"Ik wil voorzichtig zijn - dit zijn vroege stadia, "zegt hij. "In onze laboratoriumexperimenten, we wisten dat we maar één of twee plekken hadden, en we konden aannemen dat ze dezelfde intensiteit hadden. Dat is niet noodzakelijk het geval in de echte wereld. Maar mensen nemen deze ideeën al en kijken naar wat er gebeurt als je die aannames versoepelt."

De vooruitgang heeft potentiële toepassingen, zowel bij het observeren van de kosmos, en ook in microscopie, waar de methode kan worden gebruikt om gebonden moleculen en andere kleine, dicht opeengepakte structuren.

Ongeacht hoeveel fasemetingen uiteindelijk de beeldresolutie verbeteren, Steinberg zegt dat de echte waarde van het experiment ligt in het opschudden van het concept van natuurkundigen van 'waar informatie eigenlijk is'.

Steinbergs "dagbaan" is in de kwantumfysica - dit experiment was een vertrekpunt voor hem. Hij zegt dat werk in het kwantumrijk belangrijke filosofische inzichten opleverde over informatie zelf die hem hielp de vloek van Rayleigh te verslaan.

"Als we kwantumtoestanden meten, je hebt iets dat het onzekerheidsprincipe wordt genoemd, die zegt dat je naar positie of snelheid kunt kijken, maar niet allebei. Je moet kiezen wat je meet. Nu leren we dat beeldvorming meer op kwantummechanica lijkt dan we ons realiseerden, "zegt hij. "Als je alleen de intensiteit meet, je hebt een keuze gemaakt en je hebt informatie weggegooid. Wat je leert, hangt af van waar je kijkt."