Yeni bir nanometre ölçekli ölçüm aracı, daha iyi hassasiyet ve hız için ışığın kuantum özelliklerini kullanıyor

[™ Admin]

Yeni bir nanometre ölçekli ölçüm aracı, daha iyi hassasiyet ve hız için ışığın kuantum özelliklerini kullanıyor

Illinois Üniversitesi Fizik Profesörü Paul Kwiat ve araştırma grubunun üyeleri, arka plan gürültüsünün ve numuneden gelen optik kaybın mevcut olduğu senaryolarda nanometre ölçeğinde hassas ölçüm için yeni bir araç geliştirdiler.

Bu yeni optik interferometri teknolojisi, ışığın kuantum özelliklerini (özellikle aşırı renk dolanıklığını) kullanarak yaygın olarak kullanılan klasik ve kuantum tekniklerinin elde edebileceğinden daha hızlı ve daha hassas ölçümler sağlıyor.

Illinois Fizik lisansüstü öğrencisi ve çalışmanın baş yazarı Colin Lualdi, "Hem kuantum girişiminden hem de kuantum dolanıklığından yararlanarak, mevcut yöntemlerle aksi takdirde zor olacak ölçümler yapabiliriz." diyor.

Lualdi, bu aracın tıbbi teşhis, uzaktan sistem izleme ve malzeme karakterizasyonunda hazır uygulamalara sahip olduğunu söylüyor. Yeni teknolojinin kuantum özellikleri, bu alanlarda kullanılan mevcut yüksek hassasiyetli ölçüm araçlarına göre ona birçok avantaj sağlıyor. Örneğin, ışığı zayıf bir şekilde yansıtan uzak bir hedefi ölçmeye çalışırken, arka plan gürültüsünün mevcut olduğu durumlarda duyarlılığı artırmıştır; bu da onu gün ışığında açık havada ölçüm yapmaya muktedir hale getirir.

Ayrıca, ışığı zayıf ileten veya ışığa duyarlı olan metalik ince filmler veya biyolojik dokular gibi numuneleri ölçmek için de daha iyidir. Hassas numuneleri ölçmek için kullanılan bazı alternatiflerin aksine, bu teknoloji ölçülen malzemeye yakın bir yere veya onunla temasa fiziksel bir prob yerleştirmeyi gerektirmez ve bu da daha çok yönlü ölçüm yapılandırmalarına olanak tanır. Ayrıca, araştırmacıların titreşimli yüzeyler gibi dinamik sistemleri incelemesine olanak tanıyan bazı klasik ve kuantum teknolojilerinden daha hızlı ölçümler yapar; bu da mevcut tekniklerle zordur.

Bu teknoloji, bir enstrümanın kuantum avantajlarının birçok alanda anında uygulamalara olanak tanımasının nadir bir örneğini temsil eder.

Kwiat, "Bu, uzun zamandır bilinen ve birçok kuantum bilgi işlemenin temelini oluşturan bazı çok temel kuantum mekanik etkilerinin pratik bir uygulamasıdır. Ölçümümüz, bir sistemden ne kadar bilgi çıkarılabileceğinin kuantum sınırına ulaşır." diye açıklıyor.

İnterferometri: Klasik ve kuantum

Optik interferometri, hassas ölçümde günümüzün altın standardıdır. Klasik fizik tarafından tanımlanan ışığın girişim özelliklerini kullanarak küçük mesafeleri ölçer. İşte nasıl çalıştığı: İki ışık dalgası karşılaştığında ve tepeleri ve çukurları hizalandığında, birbirlerine eklenebilirler ve daha yüksek genlikte bir sonuç dalgası üretmek için yapıcı bir şekilde müdahale edebilirler. Öte yandan, bir dalganın tepeleri başka bir dalganın çukurlarıyla hizalanırsa, birbirlerini iptal ederek daha düşük genlikte bir sonuç dalgası üretmek için yıkıcı bir şekilde müdahale ederler.

Klasik optik interferometre kurulumu, bir ışın bölücüden bir ışık huzmesi gönderen bir lazerden oluşur. Bir ışık dalgası dikey koldan aşağı doğru, diğeri yatay koldan aşağı doğru hareket eder. Her bir kolun ucundaki bir ayna, ışın bölücüde buluşmak üzere geri dönen ışık dalgalarını yansıtır. Dikey ve yatay kolların uzunlukları, iki dalganın yıkıcı bir şekilde girişim yapması, birbirini iptal etmesi ve böylece herhangi bir girişim sinyalinin algılanmaması için düzenlenmiştir.

Ancak kollardan birinin uzunluğu kısaltılırsa, örneğin, kollardan birine belirli bir kalınlıkta malzeme sokulduğunda, dalgalar ışın bölücüde tekrar bir araya geldiklerinde birbirlerine eklenecek ve bir girişim sinyali yaratacaktır. Girişim sinyalindeki değişiklikler daha sonra malzemenin kalınlığını hesaplamak için kullanılır.

Klasik interferometrinin birçok başarılı uygulaması vardır. Yerçekimi dalgalarını tespit etmek için kullanılmıştır; uzay-zaman dokusunda bir protonun genişliğinden daha küçük olan küçük dalgalanmalar. Ayrıca tıbbi teşhis araçlarında da kullanılır; örneğin, hastalıkların erken belirtilerini tespit etmek için retina kalınlığını ölçmek. Ancak klasik interferometrelerin sınırlamaları vardır. Işığı zayıf ileten ince örnekleri ölçmekte zorlanırlar.

Arka plan ışığı da sızabilir, girişim sinyallerini zayıflatabilir ve aşırı pozlanmış bir fotoğrafın doymuş ışığının ayrıntıları ayırt etmeyi zorlaştırması gibi cihazın hassasiyetini azaltabilir.

Kuantum iki fotonlu interferometri bu eksiklikleri giderir ve yeni özellikler ekler. Kuantum fiziğinde ışık, foton adı verilen ayrı parçacıklar olarak ele alınır. Bu parçacıklar, girişim de dahil olmak üzere bazı dalga benzeri niteliklerini korur. Kuantum interferometresinde, her bir interferometre kolundan aşağı tek bir foton gönderilir. Klasik durumda olduğu gibi, biri bir numuneden geçer ve diğeri referanstır. Bir araya gelirler ve göreceli gecikmeleri dedektörde bir girişim sinyali üretir.

Bu ölçümün kuantum doğası, düşük iletimli malzemeleri ölçme sorununu aşar; girişim imzasının gücü değişmez çünkü düşük iletim kaybı her iki fotonu da eşit şekilde etkiler.

Lualdi, "Girişim ölçümünün bir parçası olarak iki foton tespit ettiğiniz sürece, girişim imzanızın kontrastı mükemmel bir şekilde iyi kalacaktır; bu da büyük bir kuantum avantajıdır." diye açıklıyor.

Ayrıca, kuantum interferometresinin hassasiyeti arka plan ışığından çok daha az etkilenir. Girişim sinyalinin ölçümü, fotonların varışının yaklaşık 100 pikosaniyelik dar bir zaman aralığında yapılır. Neredeyse tüm arka plan ışığı filtrelenebilir çünkü bu dar pencereye ulaşmaz, bu da kuantum ölçümünün oldukça hassas kaldığı anlamına gelir.

Yine de, kuantum iki fotonlu interferometri ile nanometre hassasiyetine ulaşmanın zorlukları vardır. Genellikle, bu hassasiyet seviyesine ulaşmak için ölçümün saatlerce sürmesi veya geniş bir renk bant genişliğine sahip fotonlar kullanılması gerekir. Beyaz ışığın spektrumunda gökkuşağının tüm renklerini içermesi gibi, fotonlar da belirli bir renk bant genişliğine sahip olabilir. Bu geniş bant genişliğine sahip fotonlarla laboratuvarda çalışmak çok zordur ve saatler süren ölçümlerin uygulanabilirliği sınırlıdır.

Aşırı renk dolanıklığı bir avantajdır

Kuantum interferometri ölçüm yetenekleri, iki fotonun dolaştırılmasıyla artırılabilir. Dolanıklık, iki parçacığın durumlarının, onları ayıran mesafeden bağımsız olarak birbirine bağlı olduğu bir kuantum olgusudur. Fotonların bir özelliğini, bu durumda renklerini dolaştırarak, interferometre duyarlılığı artar. Kwiat grubu, çok farklı renklere sahip olacak şekilde hazırlanmış iki dar bant genişliğine sahip dolaşık foton kullanarak geniş bant genişliğine sahip fotonların kullanımından kaynaklanan teknik sorunları aştı.

Dolaşık fotonların renkleri arasındaki fark ne kadar büyükse, interferometre duyarlılığı da o kadar büyük olur. Örneğin, çilek kırmızısı bir foton ile ahududu kırmızısı bir foton (onlarca nanometrelik bir dalga boyu farkı) arasındaki dolaşıklık, ahududu kırmızısı bir foton ile yaban mersini mavisi bir foton arasındakinden daha az hassas bir girişim sinyali üretecektir. İkincisi, aşırı renk dolaşıklığının bir örneğidir.

Lualdi, "Dolaşıklıkta, aralarındaki tüm renk aralığı yerine sadece biraz mavi ve biraz kırmızı ile çalışmamız gerekir," diye açıklıyor. Ancak kullanılan gerçek renkler, 810 ve 1.550 nanometrelik dalga boylarıyla insan gözü tarafından görülemez.

Ekip, bu projenin başlangıcında aşırı renk-dolaşık fotonlar üretmek için çeşitli ışık kaynaklarıyla deneyler yaptı. Nihai tasarımları saniyede yüz binlerce yüksek dolaşık çift oranına olanak tanıyarak daha hızlı ölçümler yapılmasına olanak sağladı.

Bu ilerlemeleri geliştirdikten sonra ekip dikkatini gerçek örnekleri ölçmeye verdi. Grup, düşük optik geçirgenliğe sahip metalik ince bir film örneği oluşturmak için Illinois Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Profesörü Simeon Bogdanov ve lisansüstü öğrencisi Swetapadma Sahoo ile işbirliği yaptı; bu, teknolojilerinin avantajlarını gösterecek bir örnek türüydü.

Bu örneği yeni kuantum interferometresiyle ölçtükten sonra araştırmacılar, örneği atomik kuvvet mikroskobu ile bağımsız doğrulama için Malzeme Araştırma Laboratuvarı'na getirdiler. Sonuçlar aynıydı. Yeni interferometre saniyeler içinde doğru bir nanometre ölçeğinde ölçüm yapmıştı.

Gelecekteki uygulamalar

Yeni interferometrik araç, birçok alandaki uygulamalar için güçlü çıkarımlar içeriyor. Kwiat ekibi artık bu potansiyel uygulamalara ve diğer ölçüm araçlarıyla olası entegrasyonlara odaklanıyor.

Kwiat, "Bu teknolojiyi diğer ölçümler için nasıl daha kullanışlı hale getirebileceğimizi anlamaya çalışıyoruz... Örneğin mikroskopide biyolojik örneklerin ince filmlerine bakarak ve bunu atomik kuvvet mikroskobu gibi diğer algılama biçimleriyle birleştirebiliyoruz." diye açıklıyor.

Kwiat yönteminin daha düşük ışık yoğunluğu (kaynakları aynı anda iki foton üretiyor) biyolojik çalışma için heyecan verici yollar açıyor. Beyin veya retina gibi hassas bir biyolojik dokuyu, atomik kuvvet mikroskobu gibi mevcut en son teknoloji tekniklerinden daha hızlı ve daha geniş bir alanda görüntülemeyi hayal edebilirsiniz.

Ayrıca, daha düşük ışık yoğunluğu, yosun gibi ışığa duyarlı mikroorganizmaların karanlıktaki davranışlarını incelemeyi sağlar. Mevcut görüntüleme yöntemleri, bu organizmaların üzerine parlak bir spot ışığı tutulmasını gerektirir ve bu tür bir gözlemi imkansız hale getirir.

Grup ayrıca şu anda teknolojinin titreşimleri ölçme yeteneğini araştırıyor, ki bu mevcut teknolojilerle yapılması çok daha zor.

Lualdi, "Diğer kuantum interferometreleriyle karşılaştırıldığında, sistemimiz daha hızlı ve daha yüksek hassasiyette ölçüm yapıyor ve bu nedenle artık örneğin nanometre ölçeğindeki titreşimler gibi zamanla değişen sinyalleri inceleme fırsatına sahibiz." diyor.

Kaynak: Phys