Investigadores de la Universidad de Toronto (U of T) han demostrado una forma de aumentar la resolución de microscopios y telescopios más allá de las limitaciones aceptadas desde hace mucho tiempo al aprovechar las propiedades de la luz previamente desatendidas. El método permite a los observadores distinguir objetos muy pequeños o distantes que están tan cerca unos de otros que normalmente se funden en un solo borrón.

Los telescopios y microscopios son excelentes para observar sujetos solitarios. Los científicos pueden detectar y medir con precisión una sola estrella distante. Cuanto más observan, cuanto más refinados se vuelven sus datos.

Pero los objetos como las estrellas binarias no funcionan de la misma manera.

Esto se debe a que incluso los mejores telescopios están sujetos a las leyes de la física que hacen que la luz se difunda o "difracte". Un punto nítido se convierte en un punto ligeramente borroso. Si dos estrellas están tan juntas que sus borrones se superponen, ninguna cantidad de observación puede separarlos. Su información individual se pierde irrevocablemente.

Hace más de 100 años, El físico británico John William Strutt, más conocido como Lord Rayleigh, estableció la distancia mínima entre los objetos necesaria para que un telescopio los identifique individualmente. El "Criterio de Rayleigh" se ha mantenido como una limitación inherente del campo de la óptica desde entonces.

Telescopios aunque, sólo registre la "intensidad" o el brillo de la luz. La luz tiene otras propiedades que ahora parecen permitir eludir el Criterio de Rayleigh.

"Para vencer la maldición de Rayleigh, tienes que hacer algo inteligente, "dice el profesor Aephraim Steinberg, un físico en el Centro de Información Cuántica y Control Cuántico de la U of T, y miembro principal del programa de ciencia de la información cuántica del Instituto Canadiense de Investigación Avanzada. Es el autor principal de un artículo publicado hoy en la revista. Cartas de revisión física .

Algunas de estas ingeniosas ideas fueron reconocidas con el Premio Nobel de Química 2014, señala Steinberg, pero todos esos métodos todavía dependen solo de la intensidad, limitando las situaciones en las que se pueden aplicar. “Medimos otra propiedad de la luz llamada 'fase'. Y la fase le brinda tanta información sobre las fuentes que están muy próximas entre sí como sobre las que tienen grandes separaciones ".

La luz viaja en ondas y todas las ondas tienen una fase. La fase se refiere a la ubicación de las crestas y valles de una ola. Incluso cuando un par de fuentes de luz muy juntas se desdibujan en una sola mancha, la información sobre sus fases de onda individuales permanece intacta. Solo tienes que saber buscarlo. Este descubrimiento fue publicado por los investigadores de la Universidad Nacional de Singapur, Mankei Tsang, Ranjith Nair, y Xiao-Ming Lu el año pasado en Physical Review X, y Steinberg y otros tres grupos experimentales se pusieron inmediatamente a idear una variedad de formas de ponerlo en práctica.

"Intentamos pensar en lo más simple que pudieras hacer, "Dice Steinberg." Para jugar con la fase, tienes que frenar una ola, y la luz es realmente fácil de ralentizar ".

Su equipo, incluidos los estudiantes de doctorado Edwin (Weng Kian) Tham y Huge Ferretti, dividir las imágenes de prueba por la mitad. La luz de cada mitad atraviesa un vidrio de diferente espesor, que ralentiza las olas durante diferentes períodos de tiempo, cambiando sus respectivas fases. Cuando los rayos se recombinan, crean patrones de interferencia distintos que les dicen a los investigadores si la imagen original contenía uno o dos objetos, a resoluciones mucho más allá del Criterio de Rayleigh.

Hasta aquí, El equipo de Steinberg ha probado el método solo en situaciones artificiales que implican parámetros muy restrictivos.

"Quiero ser cauteloso, estas son etapas iniciales, ", dice." En nuestros experimentos de laboratorio, sabíamos que solo teníamos un lugar o dos, y podríamos asumir que tenían la misma intensidad. Ese no es necesariamente el caso en el mundo real. Pero la gente ya está tomando estas ideas y observando lo que sucede cuando relajas esas suposiciones ".

El avance tiene aplicaciones potenciales tanto en la observación del cosmos, y también en microscopía, donde el método se puede utilizar para estudiar moléculas unidas y otras pequeñas, estructuras compactas.

Independientemente de la medida en que las mediciones de fase mejoren en última instancia la resolución de la imagen, Steinberg dice que el verdadero valor del experimento es sacudir el concepto de los físicos de "dónde está realmente la información".

El "trabajo diario" de Steinberg es la física cuántica; este experimento fue un cambio para él. Él dice que el trabajo en el reino cuántico le proporcionó conocimientos filosóficos clave sobre la información en sí que lo ayudaron a vencer la maldición de Rayleigh.

"Cuando medimos estados cuánticos, tienes algo llamado el principio de incertidumbre, que dice que puedes mirar la posición o la velocidad, pero no ambos. Tienes que elegir lo que mides. Ahora estamos aprendiendo que las imágenes se parecen más a la mecánica cuántica de lo que pensamos, ", dice." Cuando solo mides la intensidad, ha hecho una elección y ha descartado información. Lo que aprenda depende de dónde mire ".