量子顕微鏡は、量子力学の原理、つまり二光子のもつれを利用して、古典的な顕微鏡技術を超える可能性のあるイメージングの解像度と感度を達成する量子光学のサブ分野です。
量子顕微鏡の分野における大きな進歩として、英国のブリストル大学の研究者らは、サブマイクロメートルの精度で深さのイメージングを可能にする技術を開発しました。この新しい方法については、 フィジカルレビューA、Hong-Ou-Mandel (HOM) 分光装置でもつれ合った 2 色の光子を利用します。研究を加速するために、科学者たちは次のことを使用しています。 Moku:Go、再構成可能なテストおよび測定機器のスイートを提供する FPGA ベースのデバイス。を活用して データロガー および オシロスコープ 研究チームは、量子力学を利用してサンプルを高深度解像度で画像化する新しい方法を開発しました。
課題
電子ビーム顕微鏡や光学顕微鏡などの従来のイメージング技術では、多くの場合、最適な解像度を達成するために高レベルの照明が必要です。ただし、高出力は、材料の非線形挙動、敏感な生体組織への損傷、光退色など、多くの問題を引き起こす可能性があります。これは、生きた細胞などを観察する場合に特に問題になります。 現場の そのため、より穏やかな方法、理想的には従来のイメージングと同じレベルの精度を達成できる方法を使用する必要があります。ブリストルのジョナサン・マシューズ博士のグループは、量子技術を活用した、同様のレベルの精度を低消費電力で達成できる技術の開発を検討している。
ソリューション
研究チームのイノベーションは、量子干渉を利用したイメージング用のHOM顕微鏡の使用にあります。この構成では、最初にもつれた光子のペアが作成されます。これらの光子のペアは、異なる光路に沿って送信され、ビーム スプリッターを通過してから 2 つの異なる光検出器に到着します。光路の違いに関する情報は、干渉計の強度出力を監視することにより、光子対の相対的な到着時間から推定できます。この設定により、パスの 1 つが透過顕微鏡として機能し、サンプルの深さに関する情報がペアの光子の 1 つによってプローブされ、伝達されるようになります。
同グループはまた、これらの絡み合った光子の生成に使用される結晶を加熱することで、これらの絡み合った光子の波長分離を調整し、1色の光子のペアを作成し、顕微鏡に最適な解像度を見つけられるようにした。ただし、図 404a に見られるように、このような方式を実装するために必要な光学セットアップは複雑です。 XNUMX nm のレーザー ビームは、まず偏光ビーム スプリッターを通過して XNUMX つの経路に分割されます。これら XNUMX つのビームは、XNUMX つの別々の方向から結晶 (ppKTP) をポンピングするために使用され、その結果、光子対が放出されます。これらの光子は、別の部分ビーム スプリッターを通過することによってもつれ、最終的にシングルモード ファイバーに結合されます。
光子ペア生成経路の位相ロックを維持するために、750 nm CW レーザーがセットアップを逆方向に通過し、別の光検出器ペアに到達します。これらの光検出器からの出力は Moku:Go データ ロガーで監視され、実験中に位相ロックの失敗を検出できます。ブリストル大学グループのジョナサン・マシューズ博士の研究室の研究者であるシリル・トーレ博士は、Moku:Go が彼の研究において非常に大きな財産だったと述べています。
「私たちは[Moku]オシロスコープを使用して、システムが正しい周波数にロックされていることを確認しました」と彼は言いました。 「私たちが Moku:Go を選んだのは、スーパースペックは必要なく、マルチツールが必要だったからです。とてもユーザーフレンドリーです。」
生成後、もつれ合った光子ペアは、図 1b に示すように顕微鏡セットアップに送られます。 XNUMX つの光路は、上記の HOM 技術を使用して、そのパートナーと再結合する前にサンプルを通過します。次に、一連の光検出器が結果を分析します。
図 1: 実験で使用された実験セットアップ。 (a) ppKTP 結晶および偏光ビームスプリッターと組み合わせた 404 nm レーザーを使用した光子対の生成。結果として生じるもつれたペアは、出力 A と B を通過します。 (b) HOM 顕微鏡。 XNUMX つのビーム経路はサンプルを通過し、もう XNUMX つのビーム経路は PBS に直接入ります。結果として得られるペアは、光検出器のアレイによって収集されます。【1]
結果
同グループは、さまざまな深さの特徴を持つ半透明のサンプルを画像化することにより、4,000 色 HOM 顕微鏡の有効性を実証しました。研究グループは、サンプルの表面全体でラスター スキャンを実行し、サンプルを 2 ピクセルに細分化し、各ピクセルの深さを調べました。その結果を従来の光学顕微鏡画像と並べて図1に示します。HOMセットアップを使用した測定の精度は約10μmと推定されましたが、この数値は光子対間の周波数差を調整することで調整できます。このグループのアプローチは、イメージングに必要な照明強度を大幅に低減し、わずか XNUMX のプローブ強度で超解像分光法の性能に達します。-8 W / cm2これは、従来の技術でこのような精度を達成するために必要な電力よりも 8 ～ 12 桁低い値です。
図 2: 3 色 HOM 測定と従来のイメージングの比較。左: 各ピクセルで計算された深さを使用したサンプルの 1D 再構成。推定される軸方向分解能は約 XNUMX μm です。右: 同じサンプルの古典的な光学顕微鏡画像。【1]
トーレ博士と彼の同僚は、2 色のもつれ光子ペアの力を利用する光学イメージング システムを開発しました。その結果、サブマイクロメートルの精度、低い照明要件、可変ダイナミック レンジを備えた HOM 顕微鏡が誕生し、感光性の生体サンプルや材料の研究に大きなメリットをもたらします。
将来を見据えて、トーレ博士は、Moku のような再構成可能なソリューションが一般的になる余地があると見ています。
「また、Moku:Pro デバイスが 1 台と Moku:Lab デバイスが 2 台あり、現在グループ内の他の実験で使用されています」と彼は言いました。 「彼らはとてもうまくやっています。私たちは Moku ソフトウェアと定期的なアップデートを気に入っています。」
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参考文献
[1] C. トーレ、A. マクミラン、J. モンロイ-ルズ、JCF マシューズ。 Phys。 牧師A。 108、023726（2023）。
