La microscopía cuántica permite medir y obtener imágenes de las propiedades microscópicas de la materia y las partículas cuánticas. Varios tipos de microscopía utilizan principios cuánticos. El primer microscopio en hacerlo fue el microscopio de túnel de barrido , que allanó el camino para el desarrollo del microscopio de fotoionización y el microscopio de entrelazamiento cuántico.
Exploración de túneles
El microscopio de túnel de barrido (STM) utiliza el concepto de túnel cuántico para obtener imágenes directamente de los átomos. El STM se puede utilizar para estudiar la estructura tridimensional de una muestra, escaneando la superficie con una punta conductora de metal afilada cerca de la muestra. Un entorno así propicia el efecto túnel cuántico: un efecto mecánico cuántico que se produce cuando los electrones se mueven a través de una barrera debido a sus propiedades ondulatorias. La tunelización depende del grosor de la barrera. Si la barrera es lo suficientemente delgada, la función de probabilidad predice que algunos electrones la cruzarán. Esto crea una corriente a través del túnel. El número de electrones que tunelizan depende del grosor de la barrera, por lo tanto, la corriente a través de la barrera también depende de este grosor. La distancia entre la punta y la muestra afecta la corriente medida por la punta. La punta está formada por un solo átomo que se mueve lentamente por la superficie a una distancia de un diámetro atómico. Al observar la corriente, la distancia se puede mantener bastante constante, lo que permite que la punta se mueva hacia arriba y hacia abajo de acuerdo con la estructura de la muestra.
El STM funciona mejor con materiales conductores para crear una corriente. Sin embargo, desde su creación, varias implementaciones permiten una mayor variedad de muestras, como la microscopía de túnel de barrido polarizado de espín (SPSTM) y la microscopía de fuerza atómica (AFM).
Fotoionización
La función de onda es fundamental para la mecánica cuántica. Contiene la máxima información que se puede conocer sobre el estado cuántico de una sola partícula . El cuadrado de la función de onda es la probabilidad de la ubicación de una partícula en un momento dado. La obtención de imágenes directas de una función de onda solía considerarse solo un experimento gedanken , pero se convirtió en una rutina. [1] Una imagen de la posición exacta de un átomo o el movimiento de sus electrones es casi imposible de medir porque cualquier observación directa de un átomo perturba su coherencia cuántica. Como tal, observar la función de onda de un átomo y obtener una imagen de su estado cuántico completo requiere que se realicen muchas mediciones, que luego se promedian estadísticamente. El microscopio de fotoionización visualiza directamente la estructura atómica y los estados cuánticos. [2]
Un microscopio de fotoionización emplea la fotoionización, junto con propiedades y principios cuánticos, para medir las propiedades atómicas. El principio es estudiar la distribución espacial de los electrones expulsados de un átomo en una situación en la que la longitud de onda de De Broglie se vuelve lo suficientemente grande como para ser observada a escala macroscópica. Un átomo en un campo eléctrico es ionizado por un láser enfocado. El electrón se atrae hacia un detector sensible a la posición y la corriente se mide en función de la posición. La aplicación de un campo eléctrico durante la fotoionización permite confinar el flujo de electrones a lo largo de una dimensión. [3] [4]
Varias rutas clásicas conducen desde el átomo a cualquier punto de la región clásicamente permitida en el detector, y las ondas que viajan a lo largo de estas rutas producen un patrón de interferencia. Un conjunto infinito de familias de trayectorias conduce a un patrón de interferencia complicado en el detector. Como tal, la microscopía de fotoionización se basa en la existencia de interferencias entre varias trayectorias mediante las cuales el electrón se mueve desde el átomo al plano de observación, por ejemplo, de un átomo de hidrógeno en campos eléctricos y magnéticos paralelos. [5] [6] [7]
Historia y desarrollo
La idea surgió de un experimento propuesto por Demkov y sus colegas a principios de la década de 1980. [8] Los investigadores sugirieron que las ondas de electrones podrían obtenerse al interactuar con un campo eléctrico estático siempre que la longitud de onda de De Broglie de estos electrones fuera lo suficientemente grande. [8] No fue hasta 1996 que algo parecido a estas ideas dio sus frutos. [1] En 1996, un equipo de investigadores franceses desarrolló el primer microscopio de fotodesprendimiento. Permitió la observación directa de la estructura oscilatoria de una función de onda. [1] El fotodesprendimiento es la eliminación de electrones de un átomo mediante interacciones con fotones u otras partículas. [9] La microscopía de fotodesprendimiento hizo posible obtener imágenes de la distribución espacial del electrón expulsado. El microscopio desarrollado en 1996 fue el primero en obtener imágenes de anillos de fotodesprendimiento de un ion bromo negativo . [10] Estas imágenes revelaron interferencias entre dos ondas de electrones en su camino hacia el detector.
Los primeros intentos de utilizar la microscopía de fotoionización se realizaron en átomos de xenón por un equipo de investigadores holandeses en 2001. [1] Las diferencias entre la ionización directa e indirecta crean diferentes trayectorias para el electrón de salida. La ionización directa corresponde a los electrones expulsados campo abajo hacia el cuello de botella en el potencial de campo eléctrico de Coulomb + dc, mientras que la ionización indirecta corresponde a los electrones expulsados del cuello de botella en el campo eléctrico de Coulomb + dc y solo se ionizan en interacciones de Coulomb adicionales. [1] Estas trayectorias producen un patrón distinto que puede ser detectado por un detector de flujo bidimensional y posteriormente fotografiado. [11] Las imágenes exhiben un anillo exterior que corresponde al proceso de ionización indirecta y un anillo interior, que corresponde al proceso de ionización directa. Este patrón oscilatorio puede interpretarse como una interferencia entre las trayectorias de los electrones que se mueven del átomo al detector. [1]
El siguiente grupo que intentó la microscopía de fotoionización utilizó la excitación de átomos de litio en presencia de un campo eléctrico estático. [8] Este experimento fue el primero en revelar evidencia de estados cuasibound. [8] Un estado cuasi-circundante es un "estado que tiene una conexión con el estado ligado verdadero a través de la variación de algún parámetro físico". [12] Esto se hizo fotoionizando los átomos de litio en presencia de un campo eléctrico estático de ≈1 kV / cm. Este experimento fue un precursor importante para la formación de imágenes de la función de onda de hidrógeno porque, a diferencia de los experimentos realizados con xenón, las imágenes de microscopía de función de onda de litio son sensibles a la presencia de resonancias. [8] Por lo tanto, los estados cuasibound se revelaron directamente.
En 2013, Aneta Stodolna y sus colegas tomaron imágenes de la función de onda del átomo de hidrógeno midiendo un patrón de interferencia en un detector 2D. [4] [13] Los electrones se excitan a su estado de Rydberg . En este estado, el orbital del electrón está lejos del núcleo central. El electrón de Rydberg está en un campo de cd, lo que hace que esté por encima del umbral de ionización clásico, pero por debajo de la energía de ionización sin campo. La onda de electrones termina produciendo un patrón de interferencia porque la parte de la onda dirigida hacia el detector 2D interfiere con la parte que se aleja del detector. Este patrón de interferencia muestra una cantidad de nodos que es consistente con la estructura nodal del orbital del átomo de hidrógeno [4].
Direcciones futuras
El mismo equipo de investigadores que tomó imágenes de la función de onda del electrón de hidrógeno está intentando obtener imágenes de helio. Informan diferencias considerables, ya que el helio tiene dos electrones, lo que puede permitirles "ver" el entrelazamiento. [1]
Entrelazamiento cuántico
La metrología cuántica realiza mediciones precisas que no se pueden lograr de manera clásica. Normalmente, el entrelazamiento de N partículas se utiliza para medir una fase con una precisión ∆φ = 1 / N. llamado el límite de Heisenberg . Esto excede el límite de precisión ∆φ = 1 / √ N posible con N partículas no entrelazadas, llamado límite cuántico estándar (SQL). La relación señal-ruido (SNR) para una intensidad de luz determinada está limitada por SQL, que es fundamental para las mediciones en las que la intensidad de la luz de la sonda es limitada para evitar dañar la muestra. El SQL se puede abordar utilizando partículas entrelazadas.
El microscopio primero tomó una imagen de un patrón en relieve de una placa de vidrio. En una de las pruebas, el patrón fue 17 nanómetros más alto que la placa. [14] [15]
Los microscopios de entrelazamiento cuántico son una forma de microscopio de contraste de interferencia diferencial de tipo confocal . Los pares de fotones entrelazados y, de manera más general, los estados NOON son la fuente de iluminación. Se emiten dos haces de fotones en puntos adyacentes en una muestra plana. El patrón de interferencia de los haces se mide después de que se reflejan. Cuando los dos rayos golpean la superficie plana, ambos recorren la misma longitud y producen un patrón de interferencia correspondiente. Este patrón de interferencia cambia cuando los rayos golpean regiones de diferentes alturas. Los patrones se pueden resolver analizando el patrón de interferencia y la diferencia de fase. Es poco probable que un microscopio óptico estándar detecte algo tan pequeño. La imagen es precisa cuando se mide con fotones entrelazados, ya que cada fotón entrelazado proporciona información sobre el otro. Por lo tanto, brindan más información que los fotones independientes, creando imágenes más nítidas. [14] [16]
Direcciones futuras
Los principios de mejora de enredos se pueden utilizar para mejorar la imagen. De este modo, los investigadores pueden superar el criterio de Rayleigh . Esto es ideal para estudiar tejidos biológicos y materiales opacos. Sin embargo, la intensidad de la luz debe reducirse para evitar dañar la muestra. [14] [15]
La microscopía enredada puede evitar la fototoxicidad y el fotoblanqueamiento que viene con la microscopía de fluorescencia de barrido de dos fotones. Además, dado que la región de interacción dentro de la microscopía entrelazada está controlada por dos haces, la selección del sitio de la imagen es flexible, lo que proporciona una resolución axial y lateral mejorada [17]
Además de los tejidos biológicos, las mediciones de fase óptica de alta precisión tienen aplicaciones como la detección de ondas gravitacionales , la medición de las propiedades de los materiales y la detección médica y biológica. [14] [15]
Microscopios biológicos de luz cuántica
Los investigadores han desarrollado microscopios de luz cuántica basados en estados de luz comprimidos, [18] [19] y, [20] los mismos estados cuánticos utilizados para mejorar el rendimiento de los interferómetros de ondas gravitacionales. [21] Los estados de luz comprimidos [22] [ referencia circular ] tienen ruido que se reduce por debajo del nivel de ruido de disparo en una cuadratura (como amplitud o fase) a expensas de un aumento de ruido en la cuadratura ortogonal. Este ruido reducido se puede utilizar para mejorar la relación señal-ruido. Se ha demostrado que los estados comprimidos permiten una mejora de señal a ruido de hasta un factor de treinta. [23]
El primer microscopio biológico de luz cuántica utilizó luz comprimida en una pinza óptica para sondear el interior de una célula de levadura viva [24] y Physics Reports Review Paper. En esos experimentos se demostró que la luz exprimida permitía un seguimiento más preciso de los gránulos de lípidos que se producen naturalmente dentro de la célula, y que esto proporciona una medición más precisa de la viscosidad local de la célula. La viscosidad es una propiedad importante de las células que está relacionada con su salud, propiedades estructurales y función local. Más tarde, se empleó el mismo microscopio como microscopio de fuerza fotónica, rastreando un gránulo a medida que se difundía espacialmente. [25] Esto permitió demostrar la resolución cuántica mejorada, y que esto se logre en un microscopio limitado de subdifracción lejana.
La luz exprimida también se ha utilizado para mejorar la microscopía no lineal [26] Los microscopios no lineales utilizan una iluminación láser intensa, cercana a los niveles en los que puede ocurrir daño biológico. El fotodaño es una barrera clave para mejorar su rendimiento, evitando que aumente la intensidad y, por lo tanto, poniendo un límite estricto a la relación señal-ruido. Mediante el uso de luz comprimida en un microscopio de este tipo, los investigadores han demostrado que este límite se puede romper, que se puede lograr una relación señal-ruido más allá de los límites de fotodaño de la microscopía regular. [27] Esto representa una ventaja cuántica absoluta, que permite una claridad de imagen que no sería posible sin el uso de correlaciones cuánticas, y fue un hito clave en la hoja de ruta de tecnologías cuánticas del Reino Unido. [28]
Superresolución de fluorescencia mejorada cuántica
En un microscopio de fluorescencia, se registran imágenes de objetos que contienen partículas fluorescentes. Cada una de estas partículas puede emitir no más de un fotón a la vez, un efecto mecánico cuántico conocido como antibunching de fotones . La grabación de anti-agrupamiento en una imagen de fluorescencia proporciona información adicional que se puede utilizar para mejorar la resolución del microscopio más allá del límite de difracción , [29] y se demostró para varios tipos de partículas fluorescentes. [30] [31] [32]
Intuitivamente, el antibunching puede considerarse como la detección de eventos "perdidos" de dos fotones emitidos por cada partícula que no pueden emitir dos fotones simultáneamente. Por lo tanto, se utiliza para producir una imagen que se habría producido utilizando fotones con la mitad de la longitud de onda de los fotones detectados. Al detectar eventos de N-fotones, la resolución se puede mejorar hasta en un factor de N por encima del límite de difracción.
En los microscopios de fluorescencia convencionales, se ignora la información antibunching, ya que la detección simultánea de la emisión de múltiples fotones requiere una resolución temporal mayor que la de las cámaras más comúnmente disponibles. Sin embargo, la tecnología de detección mejorada permitió demostraciones de superresolución mejorada cuántica utilizando matrices de detectores rápidos, como matrices de diodos de avalancha de fotón único . [33]
Microscopía Raman mejorada cuántica
Las correlaciones cuánticas ofrecen una SNR más allá del límite de fotodaño (la cantidad de energía que se puede entregar sin dañar la muestra) de la microscopía convencional. Un microscopio Raman coherente ofrece una resolución de sublongitud de onda e incorpora una brillante iluminación cuántica correlacionada. Se pueden obtener imágenes de los enlaces moleculares dentro de una célula con una SNR mejorada del 35% en comparación con la microscopía convencional, lo que corresponde a una mejora de la sensibilidad de la concentración del 14%. [34]
Referencias
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enlaces externos
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