Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy gebruikten kwantumoptica om geavanceerde microscopie te bevorderen en een pad te verlichten naar het detecteren van materiaaleigenschappen met een grotere gevoeligheid dan mogelijk is met traditionele hulpmiddelen.

"We hebben laten zien hoe we geperst licht - een werkpaard van de kwantuminformatiewetenschap - kunnen gebruiken als een praktisch hulpmiddel voor microscopie, " zei Ben Lawrie van ORNL's Materials Science and Technology Division, die het onderzoek leidde met Raphael Pooser van ORNL's Computational Sciences and Engineering Division. "We hebben de verplaatsing van een microcantilever met atoomkrachtmicroscoop gemeten met een gevoeligheid die beter is dan de standaard kwantumlimiet."

In tegenstelling tot de huidige klassieke microscopen, De kwantummicroscoop van Pooser en Lawrie vereist kwantumtheorie om de gevoeligheid ervan te beschrijven. De niet-lineaire versterkers in ORNL's microscoop genereren een speciale kwantumlichtbron die bekend staat als geperst licht.

"Stel je een wazige foto voor, "Zei Pooser. "Het is lawaaierig en enkele fijne details zijn verborgen. Klassiek, luidruchtig licht verhindert dat u die details ziet. Een 'uitgeperste' versie is minder wazig en onthult fijne details die we eerder niet konden zien vanwege het lawaai." Hij voegde eraan toe:"We kunnen een samengedrukte lichtbron gebruiken in plaats van een laser om de ruis in onze sensoruitlezing te verminderen."

De microcantilever van een atoomkrachtmicroscoop is een miniatuurduikplank die methodisch een monster scant en buigt wanneer het fysieke veranderingen waarneemt. Met stagiaires Nick Savino, Emma Batson, Jeff Garcia en Jacob Beckey, Lawrie en Pooser toonden aan dat de door hen uitgevonden kwantummicroscoop de verplaatsing van een microcantilever kon meten met een 50% betere gevoeligheid dan klassiek mogelijk is. Voor metingen van één seconde, de kwantumversterkte gevoeligheid was 1,7 femtometer - ongeveer twee keer de diameter van een koolstofkern.

"Geknepen lichtbronnen zijn gebruikt om kwantumverbeterde gevoeligheid te bieden voor de detectie van zwaartekrachtsgolven die worden gegenereerd door samensmeltingen van zwarte gaten, " zei Pooser. "Ons werk helpt om deze kwantumsensoren te vertalen van de kosmologische schaal naar de nanoschaal."

Hun benadering van kwantummicroscopie is gebaseerd op de controle van lichtgolven. Wanneer golven samenkomen, ze kunnen constructief tussenkomen, wat betekent dat de amplituden van pieken worden toegevoegd om de resulterende golf groter te maken. Of ze kunnen destructief interfereren, wat betekent dat dalamplitudes worden afgetrokken van piekamplitudes om de resulterende golf kleiner te maken. Dit effect is te zien in golven in een vijver of in een elektromagnetische lichtgolf zoals een laser.

"Interferometers splitsen en mengen vervolgens twee lichtbundels om kleine faseveranderingen te meten die de interferentie van de twee bundels beïnvloeden wanneer ze opnieuw worden gecombineerd, ' zei Lawrie. 'We gebruikten niet-lineaire interferometers, die niet-lineaire optische versterkers gebruiken om het splitsen en mixen te doen om klassiek ontoegankelijke gevoeligheid te bereiken."

De interdisciplinaire studie, die is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , is de eerste praktische toepassing van niet-lineaire interferometrie.

Een bekend aspect van de kwantummechanica, het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, maakt het onmogelijk om zowel de positie als het momentum van een deeltje met absolute zekerheid te bepalen. Een soortgelijke onzekerheidsrelatie bestaat voor de amplitude en fase van licht.

Dat feit creëert een probleem voor sensoren die afhankelijk zijn van klassieke lichtbronnen zoals lasers:de hoogste gevoeligheid die ze kunnen bereiken, minimaliseert de Heisenberg-onzekerheidsrelatie met gelijke onzekerheid in elke variabele. Samengeknepen lichtbronnen verminderen de onzekerheid in de ene variabele en verhogen de onzekerheid in de andere variabele, dus "knijpen" de onzekerheidsverdeling. Om die reden, de wetenschappelijke gemeenschap heeft knijpen gebruikt om zowel grote als kleine fenomenen te bestuderen.

De gevoeligheid in dergelijke kwantumsensoren wordt typisch beperkt door optische verliezen. "Squeezed states zijn fragiele kwantumtoestanden, " zei Pooser. "In dit experiment, we waren in staat om het probleem te omzeilen door gebruik te maken van de eigenschappen van verstrengeling.' Verstrengeling betekent dat onafhankelijke objecten zich als één geheel gedragen. Einstein noemde het 'spookachtige actie op afstand'. In dit geval, de intensiteiten van de lichtbundels zijn op kwantumniveau met elkaar gecorreleerd.

"Vanwege verstrikking, als we de kracht van één lichtstraal meten, het zou ons in staat stellen de kracht van de ander te voorspellen zonder het te meten, " vervolgde hij. "Vanwege verstrikking, deze metingen zijn minder luidruchtig, en dat levert ons een hogere signaal-ruisverhouding op."

ORNL's benadering van kwantummicroscopie is in grote lijnen relevant voor elke geoptimaliseerde sensor die conventioneel lasers gebruikt voor het uitlezen van signalen. "Bijvoorbeeld, conventionele interferometers kunnen worden vervangen door niet-lineaire interferometrie om een ​​kwantumverbeterde gevoeligheid voor biochemische detectie te bereiken, detectie van donkere materie of de karakterisering van magnetische eigenschappen van materialen, ' zei Lawrie.

De titel van het artikel is "Afgeknotte niet-lineaire interferometrie voor kwantumversterkte atoomkrachtmicroscopie."