Forskare vid Department of Energy:s Oak Ridge National Laboratory använde kvantoptik för att avancera toppmodern mikroskopi och belysa en väg för att upptäcka materialegenskaper med större känslighet än vad som är möjligt med traditionella verktyg.

"Vi visade hur man använder pressat ljus - en arbetshäst med kvantinformationsvetenskap - som en praktisk resurs för mikroskopi, "sa Ben Lawrie från ORNL:s materialvetenskapliga och tekniska avdelning, som ledde forskningen med Raphael Pooser vid ORNL:s avdelning för beräkningsvetenskap och teknik. "Vi mätte förskjutningen av ett atomkraftmikroskopmikantant med känslighet bättre än standardkvantgränsen."

Till skillnad från dagens klassiska mikroskop, Pooser och Lawries kvantmikroskop kräver kvantteori för att beskriva dess känslighet. De olinjära förstärkarna i ORNL:s mikroskop genererar en speciell kvantljuskälla som kallas pressat ljus.

"Tänk dig en suddig bild, "Pooser sa." Det är bullrigt och några fina detaljer är dolda. Klassisk, bullrigt ljus hindrar dig från att se dessa detaljer. En "pressad" version är mindre suddig och avslöjar fina detaljer som vi inte kunde se tidigare på grund av bullret. "Han tillade, "Vi kan använda en pressad ljuskälla istället för en laser för att minska bruset i vår sensoravläsning."

Mikrocantilen för ett atomkraftmikroskop är ett miniatyrdykbräda som metodiskt skannar ett prov och böjer sig när det känner av fysiska förändringar. Med studentpraktikanterna Nick Savino, Emma Batson, Jeff Garcia och Jacob Beckey, Lawrie och Pooser visade att det kvantmikroskop de uppfann kunde mäta förskjutningen av en mikrocantilever med 50% bättre känslighet än vad som är klassiskt möjligt. För en sekund långa mätningar, den kvantförstärkta känsligheten var 1,7 femtometer-ungefär dubbelt så stor som en kolkärnas diameter.

"Pressade ljuskällor har använts för att ge kvantförstärkt känslighet för detektering av gravitationella vågor som genereras av sammanslagningar av svarta hål, "Pooser sa." Vårt arbete hjälper till att översätta dessa kvantsensorer från den kosmologiska skalan till nanoskala. "

Deras tillvägagångssätt för kvantmikroskopi bygger på kontroll av ljusvågor. När vågor kombineras, de kan störa konstruktivt, vilket innebär att amplituderna för toppar lägger till för att göra den resulterande vågen större. Eller så kan de störa destruktivt, vilket betyder genom amplituder subtraherar från toppamplituder för att göra den resulterande vågen mindre. Denna effekt kan ses i vågor i en damm eller i en elektromagnetisk ljusvåg som en laser.

"Interferometrar delar upp och blandar sedan två ljusstrålar för att mäta små förändringar i fas som påverkar interferensen hos de två strålarna när de rekombineras, "Sa Lawrie." Vi använde olinjära interferometrar, som använder olinjära optiska förstärkare för att göra klyvningen och blandningen för att uppnå klassiskt otillgänglig känslighet. "

Den tvärvetenskapliga studien, som publiceras i Fysiska granskningsbrev , är den första praktiska tillämpningen av olinjär interferometri.

En välkänd aspekt av kvantmekanik, Heisenbergs osäkerhetsprincip, gör det omöjligt att definiera både position och momentum för en partikel med absolut säkerhet. Ett liknande osäkerhetsförhållande finns för ljusets amplitud och fas.

Det faktum skapar ett problem för sensorer som förlitar sig på klassiska ljuskällor som lasrar:Den högsta känsligheten de kan uppnå minimerar Heisenbergs osäkerhetsförhållande med lika osäkerhet i varje variabel. Pressade ljuskällor minskar osäkerheten i en variabel samtidigt som osäkerheten i den andra variabeln ökar, därmed "pressar" osäkerhetsfördelningen. Av den anledningen, det vetenskapliga samfundet har använt klämning för att studera fenomen både stora och små.

Känsligheten i sådana kvantgivare är vanligtvis begränsad av optiska förluster. "Klämda tillstånd är bräckliga kvanttillstånd, "Pooser sa." I detta experiment, vi kunde kringgå problemet genom att utnyttja förträngningsegenskaper. "Förträngning betyder oberoende objekt som beter sig som ett. Einstein kallade det" spöklik handling på avstånd. "I det här fallet, ljusstrålarnas intensiteter är korrelerade med varandra på kvantnivå.

"På grund av trassel, om vi mäter kraften hos en ljusstråle, det skulle tillåta oss att förutsäga kraften hos den andra utan att mäta den, "fortsatte han." På grund av trassel, dessa mätningar är mindre bullriga, och det ger oss ett högre signal / brusförhållande. "

ORNL:s tillvägagångssätt för kvantmikroskopi är i stort relevant för alla optimerade sensorer som konventionellt använder lasrar för signalavläsning. "Till exempel, konventionella interferometrar kan ersättas med olinjär interferometri för att uppnå kvantförstärkt känslighet för biokemisk avkänning, upptäckt av mörk materia eller karakterisering av materialets magnetiska egenskaper, "Sa Lawrie.

Papperets titel är "Trunkerad olinjär interferometri för kvantförstärkt atomkraftsmikroskopi."