دانشمندان اتم های سرد را فراتر از حد پراش تصویر می کنند

فیزیکدانان در چین نشان داده اند که چگونه می توان از یک اتم سرد با وضوح فراتر از حد پراش و در مقیاس های زمانی تنها چند ده نانوثانیه تصویربرداری کرد. آنها می گویند طرح میکروسکوپی جدید آنها باید در آینده به دانشمندان اجازه دهد تا خواص مکانی و دینامیکی سیستم های اتم سرد را با دقت بسیار بالا بررسی کنند.

تعقیب اتم های سرد

اتم‌های سرد، چه به شکل گازها و چه به صورت ذرات خنثی یا باردار، به عنوان پایه‌ای برای فناوری‌های کوانتومی مانند محاسبات، شبیه‌سازی و سنجش، نوید زیادی دارند. اما بهره برداری از آنها متکی بر به دست آوردن اطلاعات مستقیم در مورد انتقال اتم ها، همبستگی ها و سایر خواص است که به نوبه خود به توانایی تشخیص و تصویربرداری از ذرات منفرد بستگی دارد. تعدادی از تکنیک های میکروسکوپ برای انجام این کار توسعه داده شده است، اما وضوح این روش ها محدود شده است که بهتر از حد پراش نوری نباشد.

در عین حال، شیمیدانان و زیست شناسان از طیف وسیعی از تکنیک های میکروسکوپ با وضوح فوق العاده برای بررسی واکنش های شیمیایی و سایر فرآیندها در مقیاس نانومتری استفاده می کنند. یکی از این روش‌ها، که به عنوان میکروسکوپ کاهش انتشار تحریک‌شده (STED) شناخته می‌شود، شامل استفاده از دو لیزر جداگانه برای تولید فلورسانس از فلوروفورها در یک منطقه بسیار کوچک است. یکی از لیزرها فلورسانس را شروع می کند و دیگری آن تابش را در تمام منطقه به جز یک ناحیه مرکزی کوچک غیرفعال می کند - که وضوحی برتر از آنچه که با لیزر اول به تنهایی به دست می آید را ممکن می کند.

فیزیکدانان همچنین از این تکنیک برای تصویربرداری از سیستم‌های کوانتومی مانند مجموعه‌ای از اسپین‌ها در مواد حالت جامد یا یون‌های منفرد استفاده کرده‌اند. علاوه بر این، برخی شروع به استفاده از آن با اتم های سرد کرده اند. با این حال، تا به حال، هیچ کس از این تکنیک برای تشخیص یک چنین اتمی در وضوح کمتر از حد پراش استفاده نکرده بود.

فرآیند سه مرحله ای

در آخرین کار، Guang-Can Guo و همکارانش در دانشگاه علم و صنعت چین در Hefei نشان می‌دهند که چگونه می‌توان از یک یون سرد با ترکیب STED با کنترل گذار حالت کوانتومی تصویربرداری کرد. تنظیم آنها شامل محدود کردن یون ایتربیوم-171 در یک تله فرکانس رادیویی و قرار دادن آن در معرض سه پرتو لیزر است. پرتوهای استوانه‌ای "آغاز" و "تشخیص" از طریق پنجره‌های جانبی در محفظه خلاء اطراف (که در معرض میدان مغناطیسی نیز قرار دارد) وارد تله می‌شوند. در مقابل، یک پرتو "تخلیه" به شکل دونات، از بالا وارد می شود - که توسط یک عدسی روی یک نقطه کوچک در داخل تله متمرکز می شود.

فرآیند تصویربرداری بر سه مرحله متکی است. اول، پرتوی اولیه، اسپین هسته ای یون را قطبی می کند و ذره را در دو حالت اسپین ممکن پایین می گذارد. در مرحله بعد، پرتو تخلیه یون را به حالت اسپین بالاتر حرکت می دهد - با این فرض که پرتو در حال تماس با یون است. سپس مرحله آخر فوتون‌های پرتو تشخیص را می‌بیند که اگر یون در حالت چرخش بالایی یا "سبک" باقی بماند، در حالی که برای حالت "تاریک" پایینی پراکندگی صورت نمی‌گیرد، توسط یون پراکنده می‌شود.

این فرآیند برای ساختن تصویری از محیط یون پیکسل به پیکسل، با اسکن تمرکز پرتو تخلیه در یک شبکه دو بعدی و تکرار سه مرحله در هر نقطه شبکه استفاده می‌شود. تنها زمانی که یون در داخل دونات تخلیه قرار می گیرد، تاریک می ماند - سیگنالی که یون پیدا شده است.

استفاده از هولوگرافی

این تکنیک مستلزم آن است که پرتو تخلیه بسیار متمرکز باشد و کنتراست شدید بین دونات و سوراخ داشته باشد. برای ارضای این شرایط و ایجاد یک نقطه تخلیه کامل در مرکز تاریک، محققان از روش تغییر شکل پرتو هولوگرافیک با یک دستگاه میکروآینه دیجیتال به اصطلاح استفاده کردند.

با انجام این کار، آنها دریافتند که در واقع می توانند یک تصویر فوق العاده حل شده از یک یون به دام افتاده تولید کنند. آنها با استفاده از یک لنز با دیافراگم عددی 0.1 به وضوح 175 نانومتر دست یافتند که به گفته آنها حداقل ده برابر بهتر از تصویربرداری فلورسانس مستقیم است.

گوو و همکارانش همچنین دینامیک یون را با اعمال یک سیگنال الکتریکی رزونانسی به یکی از الکترودهای تله، خاموش کردن سیگنال و سپس انتظار مدت معینی قبل از تصویربرداری از یکی از پیکسل‌ها، بررسی کردند. با انجام این فرآیند در تمام پیکسل ها برای یک تاخیر معین و سپس تکرار تمرین در تاخیرهای مختلف، محققان توانستند مسیر یون را بازسازی کنند - عکس های فوری فقط 80 ns از هم فاصله دارند و دقت فضایی 10 نانومتر دارند.

بهبودهای بیشتر

محققان می گویند که طرح آنها می تواند برای ذرات خنثی مانند اتم های منفرد محبوس شده در یک موچین نوری نیز اعمال شود. علاوه بر این، آنها اضافه می‌کنند که با ایجاد یک آرایه دلخواه از نقاط با اشکال مختلف و استفاده از آنها برای تصویربرداری از آرایه‌های اتم سرد، باید بتوان همبستگی بین اتم‌های مختلف را بررسی کرد (چیزی که آنها را ملزم می‌کند تله خود را به روز کنند تا می تواند چندین یون را در خود نگه دارد).

آنها همچنین بر این باورند که وضوح این تکنیک را می توان با استفاده از لنزهایی با دیافراگم عددی بالاتر بهبود بخشید. آنها می گویند که دیافراگم هایی به بزرگی 0.6 و 0.7 به ترتیب برای یون های به دام افتاده و اتم های خنثی سرد ساخته شده اند، اگرچه آنها اشاره می کنند که هیچ لنز تجاری موجود با چنین روزنه ها نمی تواند انحراف ایجاد شده توسط پنجره در محفظه خلاء خود را جبران کند.

اگر محققان بتوانند چنین لنزهایی را تولید یا تهیه کنند، اصولاً می توانند به وضوح کمتر از 30 نانومتر و دقت جابجایی کمتر از 2 نانومتر دست یابند. آنها خاطرنشان کردند که این رقم اخیر کوچکتر از اندازه بسته موج حالت پایه حرکتی یون به دام افتاده است.