양자 현미경은 양자역학의 원리, 즉 2광자 얽힘을 활용하여 기존 현미경 기술을 능가할 가능성이 있는 이미징 해상도와 감도를 달성하는 양자 광학의 하위 분야입니다.
양자 현미경 분야의 획기적인 발전으로 영국 브리스톨 대학의 연구원들은 심도 이미징에서 마이크로미터 이하의 정밀도를 가능하게 하는 기술을 개발했습니다. 이 새로운 방법은 에 발표된 최신 연구에 자세히 설명되어 있습니다. 물리적 검토 A는 HOM(Hong-Ou-Mandel) 분광학 설정에서 얽힌 2색 광자를 활용합니다. 연구를 가속화하기 위해 과학자들은 다음을 사용하고 있습니다. Moku:Go는 재구성 가능한 테스트 및 측정 장비 제품군을 제공하는 FPGA 기반 장치입니다. 활용 데이터 로거 및 오실로스코프 연구팀은 양자 역학을 활용하여 높은 깊이의 해상도로 샘플을 이미지화하는 새로운 방법을 개발했습니다.
난제
전자빔 현미경이나 광학 현미경과 같은 기존 이미징 기술에서는 최적의 해상도를 얻기 위해 높은 수준의 조명이 필요한 경우가 많습니다. 그러나 높은 전력은 재료의 비선형 거동, 민감한 생물학적 조직의 손상, 광표백 등 여러 가지 문제를 일으킬 수 있습니다. 이는 살아있는 세포나 기타 다른 세포를 볼 때 특히 문제가 됩니다. 현장 따라서 보다 부드러운 방법, 이상적으로는 기존 이미징과 동일한 수준의 정밀도를 달성할 수 있는 방법을 사용해야 합니다. 브리스톨의 조나단 매튜스(Jonathan Matthews) 박사 그룹은 비슷한 수준의 정밀도를 달성하면서도 더 낮은 전력 소비를 달성할 수 있는 양자 기술을 활용하는 기술을 개발하려고 합니다.
해법
팀의 혁신은 양자 간섭을 활용하는 이미징을 위해 HOM 현미경을 사용하는 데 있습니다. 이 구성에서는 얽힌 광자 쌍이 먼저 생성됩니다. 이러한 광자 쌍은 서로 다른 광학 경로를 따라 전송된 다음 두 개의 서로 다른 광검출기에 도달하기 전에 빔 분할기를 통과합니다. 광학 경로의 차이에 대한 정보는 간섭계의 강도 출력을 모니터링하여 광자 쌍의 상대적 도착 시간에서 추론할 수 있습니다. 이 설정을 통해 경로 중 하나가 투과 현미경으로 작동할 수 있으며, 샘플 깊이에 대한 정보는 쌍의 광자 중 하나에 의해 탐색되고 전달됩니다.
이 그룹은 또한 얽힌 광자를 생성하는 데 사용되는 결정을 가열하여 1색 광자 쌍을 생성하고 현미경에 대한 최적의 해상도를 찾을 수 있도록 함으로써 이러한 얽힌 광자의 파장 분리를 조정했습니다. 그러나 그림 404a에서 볼 수 있듯이 이러한 방식을 구현하는 데 필요한 광학 설정은 복잡합니다. XNUMXnm 레이저 빔은 먼저 편광 빔 분할기를 통해 전송되어 두 경로로 분할됩니다. 이 두 개의 빔은 서로 다른 두 방향에서 결정(ppKTP)을 펌핑하는 데 사용되며 결과적으로 광자 쌍을 방출합니다. 그런 다음 이러한 광자는 다른 부분 빔 분할기를 통과하여 얽히고 최종적으로 단일 모드 광섬유에 결합됩니다.
광자 쌍 생성 경로의 위상 고정을 유지하기 위해 750nm CW 레이저는 설정을 통해 별도의 광검출기 쌍으로 역방향으로 전달됩니다. 이러한 광검출기의 출력은 Moku:Go Data Logger로 모니터링되며, 실험 과정에서 위상 잠금 실패를 감지할 수 있습니다. 브리스톨 대학교 그룹의 Jonathan Mathews 박사 연구실 연구원인 Cyril Torre 박사는 Moku:Go가 그의 연구에 엄청난 자산이 되었다고 말합니다.
“우리는 [Moku] 오실로스코프를 사용하여 시스템이 올바른 주파수에 고정되었는지 확인했습니다.”라고 그는 말했습니다. “우리는 슈퍼 사양이 필요하지 않고 멀티 도구가 필요했기 때문에 Moku:Go를 선택했습니다. 매우 사용자 친화적입니다.”
생성 후, 얽힌 광자 쌍은 그림 1b와 같이 현미경 설정으로 전달됩니다. 하나의 광학 경로는 위에서 설명한 HOM 기술을 사용하여 파트너와 재결합하기 전에 샘플을 통해 전송됩니다. 그런 다음 일련의 광검출기가 결과를 분석합니다.
그림 1: 실험에 사용된 실험 설정. (a) ppKTP 결정 및 편광 빔 스플리터와 함께 404nm 레이저를 사용하여 광자 쌍 생성. 결과적으로 얽힌 쌍은 출력 A와 B를 통과합니다. (b) HOM 현미경. 하나의 빔 경로는 샘플을 통과하고 다른 하나는 PBS에 직접 들어갑니다. 결과 쌍은 광검출기 배열에 의해 수집됩니다.[1]
결과
이 그룹은 다양한 깊이 특징을 가진 반투명 샘플을 이미징하여 4,000색 HOM 현미경의 효능을 입증했습니다. 연구팀은 샘플 표면 전체에 걸쳐 래스터 스캔을 수행하여 이를 2픽셀로 세분화하고 각 픽셀의 깊이를 조사했습니다. 결과는 기존 광학 현미경 이미지와 함께 그림 1에 나와 있습니다. HOM 설정을 사용한 측정의 정밀도는 약 10μm로 추정되었지만 이 수치는 광자 쌍 간의 주파수 차이를 조정하여 조정할 수 있습니다. 그룹의 접근 방식은 이미징에 필요한 조명 강도를 크게 줄여 프로브 강도가 XNUMX에 불과한 초고해상도 분광학 성능에 도달했습니다.-8 W / cm2이는 고전적인 기술로 이러한 정밀도를 달성하는 데 필요한 전력보다 8~12배 더 낮습니다.
그림 2: 3색 HOM 측정과 기존 이미징 비교. 왼쪽: 각 픽셀에서 계산된 깊이를 사용하여 샘플의 1D 재구성. 추정된 축 해상도는 약 XNUMXμm입니다. 오른쪽: 동일한 샘플의 고전적인 광학 현미경 이미지.[1]
Torre 박사와 그의 동료들은 2색 얽힌 광자 쌍의 힘을 활용하는 광학 이미징 시스템을 개발했습니다. 그 결과 마이크로미터 미만의 정밀도, 낮은 조명 요구 사항 및 가변 동적 범위를 갖춘 HOM 현미경이 탄생했으며, 이는 감광성 생물학적 샘플 및 재료 연구에 상당한 이점을 제공합니다.
Torre 박사는 앞으로 Moku와 같은 재구성 가능한 솔루션이 일반화될 여지가 있다고 봅니다.
"우리는 현재 우리 그룹의 다른 실험에 사용되고 있는 Moku:Pro 1개와 Moku:Lab 장치 2개를 보유하고 있습니다."라고 그는 말했습니다. “그들은 아주 잘 일하고 있어요. 우리는 Moku 소프트웨어와 정기적인 업데이트를 좋아합니다.”
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참고자료
[1] C. Torre, A. McMillan, J. Monroy-Ruz 및 JCF Matthews. Phys. A 목사. 108, 023726(2023).
