University of Toronto (U of T) forskare har visat ett sätt att öka upplösningen hos mikroskop och teleskop bortom länge accepterade begränsningar genom att utnyttja ljusets tidigare försummade egenskaper. Metoden gör det möjligt för observatörer att urskilja mycket små eller avlägsna objekt som är så nära varandra att de normalt smälter samman till en enda oskärpa.

Teleskop och mikroskop är bra för att observera ensamstående personer. Forskare kan exakt upptäcka och mäta en enda avlägsen stjärna. Ju längre de observerar, desto mer förfinad blir deras data.

Men objekt som binära stjärnor fungerar inte på samma sätt.

Det beror på att även de bästa teleskopen är föremål för fysikens lagar som gör att ljus sprids ut eller "böjs". En skarp pinpoint blir en aldrig så lite suddig prick. Om två stjärnor är så nära varandra att deras oskärpa överlappar varandra, ingen mängd observationer kan skilja dem åt. Deras individuella information går oåterkalleligt förlorad.

För mer än 100 år sedan, Den brittiske fysikern John William Strutt - mer känd som Lord Rayleigh - fastställde det minsta avståndet mellan objekt som krävs för att ett teleskop ska kunna välja ut vart och ett individuellt. "Rayleigh-kriteriet" har stått som en inneboende begränsning av optikområdet sedan dess.

Teleskop, fastän, registrera bara ljusets "intensitet" eller ljusstyrka. Ljus har andra egenskaper som nu verkar tillåta en att kringgå Rayleigh-kriteriet.

"För att slå Rayleighs förbannelse, du måste göra något smart, " säger professor Aephraim Steinberg, en fysiker vid U of T's Center for Quantum Information and Quantum Control, och Senior Fellow i Quantum Information Science-programmet vid Canadian Institute for Advanced Research. Han är huvudförfattare till en artikel som publicerades i dag i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Några av dessa smarta idéer uppmärksammades med 2014 års Nobelpris i kemi, konstaterar Steinberg, men alla dessa metoder förlitar sig fortfarande bara på intensitet, begränsa de situationer där de kan tillämpas. "Vi mätte en annan egenskap hos ljus som kallas 'fas'. Och phase ger dig lika mycket information om källor som ligger väldigt nära varandra som de med stora separationer."

Ljus färdas i vågor, och alla vågor har en fas. Fas hänvisar till platsen för en vågs toppar och dalar. Även när ett par nära varandra ljuskällor suddas ut till en enda blob, information om deras individuella vågfaser förblir intakt. Du måste bara veta hur du letar efter det. Denna insikt publicerades av National University of Singapores forskare Mankei Tsang, Ranjith Nair, och Xiao-Ming Lu förra året i Physical Review X, och Steinbergs och tre andra experimentella grupper började genast utarbeta en mängd olika sätt att omsätta det i praktiken.

"Vi försökte komma på det enklaste du kunde göra, " säger Steinberg. "Att leka med fasen, du måste sakta ner en våg, och ljus är faktiskt lätt att bromsa."

Hans lag, inklusive doktorander Edwin (Weng Kian) Tham och Huge Ferretti, dela testbilder på mitten. Ljus från varje halva passerar genom glas med olika tjocklek, som saktar ner vågorna under olika lång tid, ändra sina respektive faser. När strålarna kombineras igen, de skapar distinkta interferensmönster som talar om för forskarna om originalbilden innehöll ett objekt eller två - med upplösningar långt bortom Rayleigh-kriteriet.

Än så länge, Steinbergs team har testat metoden endast i konstgjorda situationer med mycket restriktiva parametrar.

"Jag vill vara försiktig - det här är tidiga stadier, " säger han. "I våra laboratorieexperiment, vi visste att vi bara hade en plats eller två, och vi kunde anta att de hade samma intensitet. Så är det inte nödvändigtvis i den verkliga världen. Men folk tar redan dessa idéer och tittar på vad som händer när du slappnar av dessa antaganden."

Framstegen har potentiella tillämpningar både för att observera kosmos, och även i mikroskopi, där metoden kan användas för att studera bundna molekyler och andra små, tätt packade strukturer.

Oavsett hur mycket fasmätningar som slutligen förbättrar bildupplösningen, Steinberg säger att experimentets verkliga värde är att skaka om fysikernas koncept om "var information faktiskt finns."

Steinbergs "dagjobb" är i kvantfysik - detta experiment var ett avsteg för honom. Han säger att arbete i kvantvärlden gav viktiga filosofiska insikter om själva informationen som hjälpte honom att slå Rayleighs förbannelse.

"När vi mäter kvanttillstånd, du har något som kallas osäkerhetsprincipen, som säger att du kan titta på position eller hastighet, men inte båda. Du måste välja vad du mäter. Nu lär vi oss att bildbehandling är mer som kvantmekanik än vi insåg, " säger han. "När du bara mäter intensitet, du har gjort ett val och du har kastat ut information. Vad du lär dig beror på var du tittar."