I ricercatori dell'Università di Toronto (U of T) hanno dimostrato un modo per aumentare la risoluzione di microscopi e telescopi oltre i limiti a lungo accettati sfruttando proprietà della luce precedentemente trascurate. Il metodo consente agli osservatori di distinguere oggetti molto piccoli o distanti che sono così vicini tra loro che normalmente si fondono in un'unica sfocatura.

Telescopi e microscopi sono ottimi per osservare soggetti solitari. Gli scienziati possono rilevare e misurare con precisione una singola stella lontana. Più a lungo osservano, più raffinati diventano i loro dati.

Ma oggetti come le stelle binarie non funzionano allo stesso modo.

Questo perché anche i migliori telescopi sono soggetti a leggi della fisica che causano la diffusione o la "diffrazione" della luce. Un puntino nitido diventa un punto sempre leggermente sfocato. Se due stelle sono così vicine che le loro sfocature si sovrappongono, nessuna quantità di osservazione può separarli. Le loro informazioni individuali sono irrevocabilmente perse.

Più di 100 anni fa, Il fisico britannico John William Strutt - meglio conosciuto come Lord Rayleigh - stabilì la distanza minima tra gli oggetti necessaria affinché un telescopio possa individuarli individualmente. Da allora, il "Criterio di Rayleigh" è stato un limite intrinseco del campo dell'ottica.

Telescopi, anche se, registrare solo "l'intensità" o la luminosità della luce. La luce ha altre proprietà che ora sembrano consentire di aggirare il criterio di Rayleigh.

"Per sconfiggere la maledizione di Rayleigh, devi fare qualcosa di intelligente, "dice il professor Aephraim Steinberg, un fisico presso il Centro per l'informazione quantistica e il controllo quantistico della U of T, e Senior Fellow nel programma Quantum Information Science presso il Canadian Institute for Advanced Research. È l'autore principale di un articolo pubblicato oggi sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Alcune di queste idee intelligenti sono state riconosciute con il Premio Nobel 2014 per la Chimica, nota Steinberg, ma tutti quei metodi si basano ancora solo sull'intensità, limitando le situazioni in cui possono essere applicati. "Abbiamo misurato un'altra proprietà della luce chiamata 'fase'. E la fase ti dà tante informazioni sulle fonti che sono molto vicine tra loro quanto quelle con grandi separazioni".

La luce viaggia in onde, e tutte le onde hanno una fase. La fase si riferisce alla posizione delle creste e degli avvallamenti di un'onda. Anche quando una coppia di sorgenti luminose ravvicinate si confonde in un unico blob, le informazioni sulle loro singole fasi d'onda rimangono intatte. Devi solo sapere come cercarlo. Questa realizzazione è stata pubblicata dai ricercatori della National University of Singapore Mankei Tsang, Ranjith Nair, e Xiao-Ming Lu l'anno scorso in Physical Review X, e Steinberg e altri tre gruppi sperimentali iniziarono immediatamente a escogitare una varietà di modi per metterlo in pratica.

"Abbiamo cercato di trovare la cosa più semplice che potevi fare, " dice Steinberg. "Per giocare con la fase, devi rallentare un'onda, e la luce è in realtà facile da rallentare."

La sua squadra, compresi i dottorandi Edwin (Weng Kian) Tham e Huge Ferretti, dividere a metà le immagini di prova. La luce di ciascuna metà passa attraverso vetri di diverso spessore, che rallenta le onde per diversi periodi di tempo, modificando le rispettive fasi. Quando i raggi si ricombinano, creano schemi di interferenza distinti che dicono ai ricercatori se l'immagine originale conteneva uno o due oggetti, a risoluzioni ben oltre il criterio di Rayleigh.

Finora, Il team di Steinberg ha testato il metodo solo in situazioni artificiali che coinvolgono parametri altamente restrittivi.

"Voglio essere cauto - queste sono le prime fasi, " dice. "Nei nostri esperimenti di laboratorio, sapevamo di avere solo un punto o due, e potremmo supporre che avessero la stessa intensità. Non è necessariamente così nel mondo reale. Ma le persone stanno già prendendo queste idee e osservando cosa succede quando si rilassano questi presupposti".

L'anticipo ha potenziali applicazioni sia nell'osservazione del cosmo, e anche in microscopia, dove il metodo può essere utilizzato per studiare molecole legate e altri piccoli, strutture fitte.

Indipendentemente da quanto le misurazioni di fase in definitiva migliorano la risoluzione dell'immagine, Steinberg afferma che il vero valore dell'esperimento sta nel scuotere il concetto dei fisici di "dove si trova effettivamente l'informazione".

Il "lavoro diurno" di Steinberg è nella fisica quantistica:questo esperimento è stato un punto di partenza per lui. Dice che il lavoro nel regno dei quanti ha fornito intuizioni filosofiche chiave sull'informazione stessa che lo hanno aiutato a sconfiggere la Maledizione di Rayleigh.

"Quando misuriamo gli stati quantistici, hai qualcosa chiamato il Principio di Indeterminazione, che dice che puoi guardare la posizione o la velocità, ma non entrambi. Devi scegliere cosa misurare. Ora stiamo imparando che l'imaging è più simile alla meccanica quantistica di quanto pensassimo, " dice. "Quando misuri solo l'intensità, hai fatto una scelta e hai buttato via informazioni. Quello che impari dipende da dove guardi."