Pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia usaram óptica quântica para avançar a microscopia de última geração e iluminar um caminho para detectar propriedades de materiais com maior sensibilidade do que é possível com ferramentas tradicionais.

"Mostramos como usar a luz comprimida - um burro de carga da ciência da informação quântica - como um recurso prático para microscopia, "disse Ben Lawrie da Divisão de Ciência e Tecnologia de Materiais do ORNL, que liderou a pesquisa com Raphael Pooser da Divisão de Engenharia e Ciências Computacionais do ORNL. "Medimos o deslocamento de um microcantilever de microscópio de força atômica com sensibilidade melhor do que o limite quântico padrão."

Ao contrário dos microscópios clássicos de hoje, O microscópio quântico de Pooser e Lawrie requer a teoria quântica para descrever sua sensibilidade. Os amplificadores não lineares no microscópio do ORNL geram uma fonte de luz quântica especial conhecida como luz comprimida.

"Imagine uma imagem borrada, "Pooser disse." É barulhento e alguns pequenos detalhes estão escondidos. Clássico, a luz barulhenta impede que você veja esses detalhes. Uma versão 'comprimida' é menos desfocada e revela pequenos detalhes que não podíamos ver antes por causa do ruído. "Ele acrescentou, "Podemos usar uma fonte de luz comprimida em vez de um laser para reduzir o ruído na leitura do nosso sensor."

O microcantilever de um microscópio de força atômica é um trampolim em miniatura que examina metodicamente uma amostra e se curva quando detecta mudanças físicas. Com os estagiários Nick Savino, Emma Batson, Jeff Garcia e Jacob Beckey, Lawrie e Pooser mostraram que o microscópio quântico que inventaram poderia medir o deslocamento de um microcantilever com 50% de sensibilidade melhor do que é classicamente possível. Para medições de um segundo de duração, a sensibilidade aprimorada por quantum foi de 1,7 femtômetros - cerca de duas vezes o diâmetro de um núcleo de carbono.

"Fontes de luz comprimidas têm sido usadas para fornecer sensibilidade aprimorada quântica para a detecção de ondas gravitacionais geradas por fusões de buracos negros, "Pooser disse." Nosso trabalho está ajudando a traduzir esses sensores quânticos da escala cosmológica para a nanoescala. "

Sua abordagem à microscopia quântica depende do controle de ondas de luz. Quando as ondas se combinam, eles podem interferir construtivamente, o que significa que as amplitudes dos picos aumentam para tornar a onda resultante maior. Ou eles podem interferir destrutivamente, significando que as amplitudes menores são subtraídas das amplitudes de pico para tornar a onda resultante menor. Este efeito pode ser visto em ondas em um lago ou em uma onda eletromagnética de luz como um laser.

"Os interferômetros dividem e misturam dois feixes de luz para medir pequenas mudanças na fase que afetam a interferência dos dois feixes quando são recombinados, "Lawrie disse." Nós empregamos interferômetros não lineares, que usam amplificadores ópticos não lineares para fazer a divisão e mixagem para atingir a sensibilidade classicamente inacessível. "

O estudo interdisciplinar, que é publicado em Cartas de revisão física , é a primeira aplicação prática da interferometria não linear.

Um aspecto bem conhecido da mecânica quântica, o princípio da incerteza de Heisenberg, torna impossível definir a posição e o momento de uma partícula com certeza absoluta. Uma relação de incerteza semelhante existe para a amplitude e fase da luz.

Esse fato cria um problema para sensores que dependem de fontes de luz clássicas como lasers:a maior sensibilidade que eles podem alcançar minimiza a relação de incerteza de Heisenberg com incerteza igual em cada variável. Fontes de luz comprimidas reduzem a incerteza em uma variável enquanto aumentam a incerteza na outra variável, assim, "comprimindo" a distribuição da incerteza. Por essa razão, a comunidade científica tem usado a compressão para estudar fenômenos grandes e pequenos.

A sensibilidade em tais sensores quânticos é normalmente limitada por perdas ópticas. "Estados comprimidos são estados quânticos frágeis, "Pooser disse." Neste experimento, fomos capazes de contornar o problema explorando as propriedades de emaranhamento ". Einstein significa objetos independentes que se comportam como um só. Einstein chamou isso de" ação fantasmagórica à distância ". Neste caso, as intensidades dos feixes de luz estão correlacionadas entre si no nível quântico.

"Por causa do emaranhamento, se medirmos a potência de um feixe de luz, nos permitiria prever o poder do outro sem medi-lo, "ele continuou." Por causa do emaranhamento, essas medições são menos ruidosas, e isso nos fornece uma relação sinal / ruído mais alta. "

A abordagem do ORNL para microscopia quântica é amplamente relevante para qualquer sensor otimizado que convencionalmente usa lasers para leitura de sinal. "Por exemplo, interferômetros convencionais podem ser substituídos por interferometria não linear para atingir sensibilidade aprimorada quântica para detecção bioquímica, detecção de matéria escura ou a caracterização de propriedades magnéticas de materiais, "Lawrie disse.

O título do artigo é "Interferometria não linear truncada para microscopia de força atômica aprimorada quântica."