De nauwkeurigheid van het meten van nanoscopische structuren kan aanzienlijk worden verbeterd, dankzij onderzoek van de University of Warwick en QuantIC-onderzoekers van de University of Glasgow en Heriot Watt University naar optische detectie.

QuantIC is de Britse Quantum Technology Hub in Quantum Enhanced Imaging en maakt deel uit van het Britse National Quantum Technologies-programma.

Met behulp van fotonenparen, fundamentele componenten van energie waaruit licht bestaat, de onderzoekers hebben een manier bedacht om de dikte te meten van objecten die kleiner zijn dan 100, 000ste van de breedte van een mensenhaar.

De nieuwe techniek omvat het afvuren van twee bijna identieke fotonen op een component die bekend staat als een bundelsplitser, en het volgen van hun daaropvolgende gedrag - met zo'n 30, 000 fotonen gedetecteerd per seconde, en 500 miljard in gebruik tijdens een volledig experiment.

Vanwege de neiging van identieke fotonen om 'maatje te worden' en samen verder te reizen - het resultaat van een delicaat kwantuminterferentie-effect - biedt de nieuw ontwikkelde opstelling van de onderzoekers dezelfde precisie en stabiliteit als bestaande één-fotontechnieken die, vanwege de benodigde apparatuur, zijn duurder.

Biedt een scala aan mogelijke toepassingen, inclusief onderzoek om celmembranen en DNA beter te begrijpen, evenals kwaliteitscontrole voor nanoscopische 2D-materialen met de dikte van een enkel atoom, zoals grafeen, het nieuwe onderzoek is ook een duidelijke verbetering ten opzichte van de huidige twee-fotontechnieken met een tot 100x betere resolutie.

Om de dikte van een transparant object te meten (elk object waar een foton doorheen kan gaan), elk van een paar identieke fotonen wordt langs afzonderlijke paden afgevuurd:

• Foton A gaat dan verder in een bundelsplitser, terwijl Foton B wordt afgeremd door een transparant object voordat het dezelfde bundelsplitser binnengaat.
• De waarschijnlijkheid dat de fotonen samen de bundelsplitser verlaten, wordt vervolgens geregistreerd, zodat onderzoekers de dikte kunnen meten van het transparante object waar foton B doorheen is gegaan.

Naarmate de dikte van het monster toeneemt, de fotonen zullen eerder de bundelsplitser afzonderlijk verlaten.

Dr. George Knee van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Warwick, die de theorie achter de nieuwe methode ontwikkelde, zei:

"Wat echt opwindend is aan deze resultaten, is dat we nu objecten op nanoschaal kunnen onderzoeken met een optische sensor die werkt op een fundamenteel ander fysiek effect.

"Tot nu, zogenaamde twee-foton-interferentie niet in staat is geweest om zo'n grote resolutie te bereiken, wat betekent dat we vastzitten met enkele van de nadelen van de gevestigde methoden die gebaseerd zijn op interferentie van één foton - waarvoor duurdere technologie nodig is dan onze nieuwe twee-fotontechniek.

"We zijn erin geslaagd een grote verbetering te realiseren door de interferometer in een meer gevoelige bedrijfsmodus af te stemmen en langzame drift te verwijderen door het monster herhaaldelijk in en uit te schakelen.

"De voordelen om ongevoelig te zijn voor fasefluctuaties en een groot dynamisch bereik te hebben, betekenen dat sensoren zoals de onze een grote impact kunnen hebben op biologische beeldvorming en het bijbehorende onderzoek dat erin wordt verwerkt."

QuantIC co-onderzoeker en hoofdonderzoeker van het project, Professor Daniele Faccio, wiens twee foton-sensing-technologie werd gebruikt om de gegevens te genereren, zei:

"De resultaten van onze samenwerking met de Universiteit van Warwick bieden een scala aan mogelijke toepassingen, inclusief onderzoek om celmembranen en DNA beter te begrijpen, evenals een kwaliteitscontrole voor nanoscopische 2D-materialen met de dikte van een enkel atoom, zoals grafeen.

We zijn verheugd om de kwantumbeeldvorming vooruit te helpen en de positie van het VK in de ontwikkeling van nieuwe kwantumtechnologieën te helpen behouden."

Het onderzoek, Attoseconde resolutie Hong-Ou-Mandel interferometrie, is uitgegeven door wetenschappelijke vooruitgang .