Исследователи ORNL разработали квантовый, или сжатый, световой подход для атомно-силовой микроскопии, который позволяет измерять сигналы, которые иначе скрыты за шумом. Предоставлено: Рафаэль Пузер, ORNL, Департамент энергетики США.
Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Ридж при Министерстве энергетики использовали квантовую оптику, чтобы продвинуть современную микроскопию и осветить путь к обнаружению свойств материала с большей чувствительностью, чем это возможно с помощью традиционных инструментов.
«Мы показали, как использовать сжатый свет – рабочую лошадку квантовой информатики – в качестве практического ресурса для микроскопии», – сказал Бен Лори из отдела материаловедения и технологий ORNL, который руководил исследованием вместе с Рафаэлем Пузером из отдела вычислительных наук и инженерии ORNL. «Мы измерили смещение микрокантилевера атомно-силового микроскопа с чувствительностью лучше, чем стандартный квантовый предел».
В отличие от современных классических микроскопов, квантовый микроскоп Пусера и Лори требует, чтобы квантовая теория описывала его чувствительность. Нелинейные усилители в микроскопе ORNL генерируют специальный квантовый источник света, известный как сжатый свет.
«Представьте себе расплывчатую картинку, – сказал Пузер. «Здесь шумно, и некоторые мелкие детали скрыты. Классический шумный свет не позволяет увидеть эти детали. «Сжатая» версия менее размыта и показывает мелкие детали, которые мы раньше не могли видеть из-за шума ». Он добавил: «Мы можем использовать сжатый источник света вместо лазера, чтобы уменьшить шум в показаниях нашего датчика».
Микрокантилевер атомно-силового микроскопа – это миниатюрная доска для прыжков в воду, которая методично сканирует образец и изгибается, когда ощущает физические изменения. Со студентами-практикантами Ником Савино, Эммой Бэтсон, Джеффом Гарсиа и Джейкобом Бекей, Лори и Пузер показали, что изобретенный ими квантовый микроскоп может измерять смещение микрокантилевера с чувствительностью на 50% лучше, чем это возможно в классическом стиле. Для измерений длительностью в одну секунду квантово-усиленная чувствительность составила 1,7 фемтометра – примерно в два раза больше диаметра ядра углерода.
«Сжатые источники света использовались для обеспечения квантово-усиленной чувствительности для обнаружения гравитационные волны создан черная дыра слияния, – сказал Пузер. «Наша работа помогает перевести эти квантовые датчики из космологического масштаба в наномасштаб».
Их подход к квантовой микроскопии основан на управлении световыми волнами. Когда волны объединяются, они могут конструктивно интерферировать, то есть амплитуды пиков складываются, чтобы сделать результирующую волну больше. Или они могут создавать деструктивные помехи, то есть минимальные амплитуды вычитаются из пиковых амплитуд, чтобы уменьшить результирующую волну. Этот эффект можно увидеть в волнах в пруду или в электромагнитной волне света, такой как лазер.
«Интерферометры разделяют, а затем смешивают два световых луча, чтобы измерить небольшие изменения фазы, которые влияют на интерференцию двух лучей при их рекомбинации», – сказал Лори. «Мы использовали нелинейные интерферометры, в которых используются нелинейно-оптические усилители для разделения и смешивания, чтобы достичь классически недоступной чувствительности».
Междисциплинарное исследование, опубликованное в Письма с физическими проверками, является первое практическое применение нелинейной интерферометрии.
Хорошо известный аспект квантовой механики, принцип неопределенности Гейзенберга, делает невозможным определение положения и импульса частицы с абсолютной достоверностью. Аналогичное соотношение неопределенности существует для амплитуды и фазы света.
Этот факт создает проблему для датчиков, которые полагаются на классические источники света, такие как лазеры: максимальная чувствительность, которую они могут достичь, сводит к минимуму соотношение неопределенностей Гейзенберга с одинаковой неопределенностью по каждой переменной. Сжатые источники света уменьшают неопределенность одной переменной, увеличивая при этом неопределенность другой переменной, таким образом «сжимая» распределение неопределенности. По этой причине научное сообщество использует сжатие для изучения больших и малых явлений.
Чувствительность таких квантовых датчиков обычно ограничивается оптическими потерями. «Сжатые состояния – это хрупкие квантовые состояния», – сказал Пузер. «В этом эксперименте мы смогли обойти проблему, используя свойства запутанности». Запутанность означает, что независимые объекты ведут себя как одно целое. Эйнштейн назвал это «жутким действием на расстоянии». В этом случае интенсивности световых лучей коррелируют друг с другом на квантовом уровне.
«Из-за запутанности, если мы измеряем мощность одного луча света, это позволит нам предсказать мощность другого, не измеряя его», – продолжил он. «Из-за запутывания эти измерения менее зашумлены, и это дает нам более высокое отношение сигнал / шум».
Подход ORNL к квантовой микроскопии в целом актуален для любого оптимизированного датчика, который традиционно использует лазеры для считывания сигналов. «Например, обычные интерферометры можно заменить нелинейной интерферометрией для достижения квантово-повышенной чувствительности для биохимического зондирования, обнаружения темной материи или характеристики магнитных свойств материалов», – сказал Лори.
Ссылка: «Усеченная нелинейная интерферометрия для квантово-усиленной атомно-силовой микроскопии» Р. К. Пузера, Н. Савино, Э. Бэтсона, Дж. Л. Бекки, Дж. Гарсиа и Б. Дж. Лори, 12 июня 2020 г., Письма с физическими проверками.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.124.230504
Управление науки Министерства энергетики США и Программа исследований и разработок ORNL поддержали исследование.
