I ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno utilizzato l'ottica quantistica per far progredire la microscopia all'avanguardia e illuminare un percorso per rilevare le proprietà dei materiali con una maggiore sensibilità rispetto a quella possibile con gli strumenti tradizionali.

"Abbiamo mostrato come utilizzare la luce compressa, un cavallo di battaglia della scienza dell'informazione quantistica, come risorsa pratica per la microscopia, " ha affermato Ben Lawrie della Divisione Scienza e Tecnologia dei Materiali dell'ORNL, che ha guidato la ricerca con Raphael Pooser della divisione di scienze computazionali e ingegneria dell'ORNL. "Abbiamo misurato lo spostamento di un microcantilever del microscopio a forza atomica con una sensibilità migliore del limite quantistico standard".

A differenza dei microscopi classici di oggi, Il microscopio quantistico di Pooser e Lawrie richiede la teoria dei quanti per descrivere la sua sensibilità. Gli amplificatori non lineari nel microscopio di ORNL generano una speciale sorgente di luce quantistica nota come luce schiacciata.

"Immagina un'immagine sfocata, "Pooser ha detto. "E 'rumoroso e alcuni dettagli sono nascosti. Classico, la luce rumorosa ti impedisce di vedere quei dettagli. Una versione "schiacciata" è meno sfocata e rivela dettagli fini che prima non potevamo vedere a causa del rumore." Ha aggiunto, "Possiamo utilizzare una sorgente di luce schiacciata invece di un laser per ridurre il rumore nella lettura del nostro sensore".

Il microcantilever di un microscopio a forza atomica è un trampolino in miniatura che scansiona metodicamente un campione e si piega quando rileva cambiamenti fisici. Con gli stagisti Nick Savino, Emma Batson, Jeff Garcia e Jacob Beckey, Lawrie e Pooser hanno dimostrato che il microscopio quantistico che hanno inventato potrebbe misurare lo spostamento di un microcantilever con una sensibilità del 50% migliore di quanto sia classicamente possibile. Per misurazioni lunghe un secondo, la sensibilità quantistica era di 1,7 femtometri, circa il doppio del diametro di un nucleo di carbonio.

"Le sorgenti di luce schiacciate sono state utilizzate per fornire una sensibilità quantistica avanzata per il rilevamento di onde gravitazionali generate da fusioni di buchi neri, " Ha detto Pooser. "Il nostro lavoro sta aiutando a tradurre questi sensori quantistici dalla scala cosmologica alla nanoscala".

Il loro approccio alla microscopia quantistica si basa sul controllo delle onde luminose. Quando le onde si combinano, possono interferire in modo costruttivo, il che significa che le ampiezze dei picchi si sommano per rendere l'onda risultante più grande. Oppure possono interferire in modo distruttivo, il che significa che le ampiezze di valle si sottraggono dalle ampiezze di picco per rendere l'onda risultante più piccola. Questo effetto può essere visto nelle onde in uno stagno o in un'onda elettromagnetica di luce come un laser.

"Gli interferometri dividono e poi mescolano due fasci di luce per misurare piccoli cambiamenti di fase che influenzano l'interferenza dei due fasci quando vengono ricombinati, " ha detto Lawrie. "Abbiamo impiegato interferometri non lineari, che utilizzano amplificatori ottici non lineari per eseguire la divisione e il missaggio per ottenere una sensibilità classicamente inaccessibile."

Lo studio interdisciplinare, che è pubblicato in Lettere di revisione fisica , è la prima applicazione pratica dell'interferometria non lineare.

Un aspetto ben noto della meccanica quantistica, il principio di indeterminazione di Heisenberg, rende impossibile definire con assoluta certezza sia la posizione che la quantità di moto di una particella. Una relazione di incertezza simile esiste per l'ampiezza e la fase della luce.

Questo fatto crea un problema per i sensori che si basano su sorgenti luminose classiche come i laser:la massima sensibilità che possono raggiungere riduce al minimo la relazione di incertezza di Heisenberg con uguale incertezza in ciascuna variabile. Le sorgenti luminose schiacciate riducono l'incertezza in una variabile mentre aumentano l'incertezza nell'altra variabile, "spremendo" così la distribuzione dell'incertezza. Per tale motivo, la comunità scientifica ha utilizzato lo squeezing per studiare fenomeni sia grandi che piccoli.

La sensibilità in tali sensori quantistici è tipicamente limitata dalle perdite ottiche. "Gli stati schiacciati sono stati quantici fragili, " disse Pooser. "In questo esperimento, siamo stati in grado di aggirare il problema sfruttando le proprietà dell'entanglement." Entanglement significa oggetti indipendenti che si comportano come uno. Einstein lo chiamava "azione spettrale a distanza". In questo caso, le intensità dei fasci di luce sono correlate tra loro a livello quantistico.

"A causa dell'intreccio, se misuriamo la potenza di un raggio di luce, ci permetterebbe di prevedere la potenza dell'altro senza misurarla, " ha continuato. "A causa di entanglement, queste misurazioni sono meno rumorose, e questo ci fornisce un rapporto segnale/rumore più elevato."

L'approccio di ORNL alla microscopia quantistica è ampiamente rilevante per qualsiasi sensore ottimizzato che utilizza convenzionalmente i laser per la lettura del segnale. "Ad esempio, gli interferometri convenzionali potrebbero essere sostituiti dall'interferometria non lineare per ottenere una sensibilità quantistica avanzata per il rilevamento biochimico, rilevamento della materia oscura o la caratterizzazione delle proprietà magnetiche dei materiali, " ha detto Lawrie.

Il titolo dell'articolo è "Interferometria non lineare troncata per la microscopia quantistica a forza atomica avanzata".