Los investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía utilizaron la óptica cuántica para avanzar en la microscopía de vanguardia e iluminar un camino para detectar las propiedades de los materiales con mayor sensibilidad de lo que es posible con las herramientas tradicionales.

"Mostramos cómo utilizar la luz comprimida, un caballo de batalla de la ciencia de la información cuántica, como un recurso práctico para la microscopía. "dijo Ben Lawrie de la División de Ciencia y Tecnología de Materiales de ORNL, quien dirigió la investigación con Raphael Pooser de la División de Ingeniería y Ciencias Computacionales de ORNL. "Medimos el desplazamiento de un microcantilever de microscopio de fuerza atómica con una sensibilidad mejor que el límite cuántico estándar".

A diferencia de los microscopios clásicos de hoy, El microscopio cuántico de Pooser y Lawrie requiere la teoría cuántica para describir su sensibilidad. Los amplificadores no lineales del microscopio de ORNL generan una fuente de luz cuántica especial conocida como luz comprimida.

"Imagina una imagen borrosa, "Dijo Pooser." Es ruidoso y algunos detalles finos están ocultos. Clásico, la luz ruidosa le impide ver esos detalles. Una versión 'comprimida' es menos borrosa y revela detalles finos que antes no podíamos ver debido al ruido ". "Podemos utilizar una fuente de luz comprimida en lugar de un láser para reducir el ruido en la lectura de nuestro sensor".

El microcantilever de un microscopio de fuerza atómica es un trampolín en miniatura que escanea metódicamente una muestra y se dobla cuando detecta cambios físicos. Con los estudiantes en prácticas Nick Savino, Emma Batson, Jeff García y Jacob Beckey, Lawrie y Pooser demostraron que el microscopio cuántico que inventaron podía medir el desplazamiento de un microcantilever con un 50% más de sensibilidad de lo que es clásicamente posible. Para mediciones de un segundo de duración, la sensibilidad cuántica mejorada fue de 1,7 femtómetros, aproximadamente el doble del diámetro de un núcleo de carbono.

"Se han utilizado fuentes de luz comprimidas para proporcionar sensibilidad cuántica mejorada para la detección de ondas gravitacionales generadas por fusiones de agujeros negros, ", Dijo Pooser." Nuestro trabajo está ayudando a trasladar estos sensores cuánticos de la escala cosmológica a la nanoescala ".

Su enfoque de la microscopía cuántica se basa en el control de ondas de luz. Cuando las olas se combinan pueden interferir de forma constructiva, lo que significa que las amplitudes de los picos se suman para hacer que la onda resultante sea más grande. O pueden interferir destructivamente, lo que significa que las amplitudes valle se restan de las amplitudes máximas para hacer que la onda resultante sea más pequeña. Este efecto se puede ver en ondas en un estanque o en una onda de luz electromagnética como un láser.

"Los interferómetros dividen y luego mezclan dos haces de luz para medir pequeños cambios de fase que afectan la interferencia de los dos haces cuando se recombinan, ", Dijo Lawrie." Empleamos interferómetros no lineales, que utilizan amplificadores ópticos no lineales para dividir y mezclar para lograr una sensibilidad clásicamente inaccesible ".

El estudio interdisciplinario, que se publica en Cartas de revisión física , es la primera aplicación práctica de la interferometría no lineal.

Un aspecto bien conocido de la mecánica cuántica, el principio de incertidumbre de Heisenberg, hace imposible definir tanto la posición como el momento de una partícula con absoluta certeza. Existe una relación de incertidumbre similar para la amplitud y la fase de la luz.

Ese hecho crea un problema para los sensores que dependen de fuentes de luz clásicas como los láseres:la mayor sensibilidad que pueden lograr minimiza la relación de incertidumbre de Heisenberg con la misma incertidumbre en cada variable. Las fuentes de luz comprimidas reducen la incertidumbre en una variable mientras aumentan la incertidumbre en la otra variable, así "exprimiendo" la distribución de la incertidumbre. Por esta razón, la comunidad científica ha utilizado la compresión para estudiar fenómenos tanto grandes como pequeños.

La sensibilidad de estos sensores cuánticos suele estar limitada por pérdidas ópticas. "Los estados comprimidos son estados cuánticos frágiles, ", Dijo Pooser." En este experimento, pudimos eludir el problema explotando las propiedades del entrelazamiento ". Entrelazamiento significa objetos independientes que se comportan como uno solo. Einstein lo llamó" acción espeluznante a distancia ". En este caso, las intensidades de los rayos de luz están correlacionadas entre sí a nivel cuántico.

"Debido al enredo, si medimos la potencia de un rayo de luz, nos permitiría predecir el poder del otro sin medirlo, ", continuó." Debido al enredo, estas medidas son menos ruidosas, y eso nos proporciona una mayor relación señal / ruido ".

El enfoque de ORNL a la microscopía cuántica es muy relevante para cualquier sensor optimizado que utilice de forma convencional láseres para la lectura de señales. "Por ejemplo, Los interferómetros convencionales podrían reemplazarse por interferometría no lineal para lograr una sensibilidad cuántica mejorada para la detección bioquímica. detección de materia oscura o caracterización de propiedades magnéticas de materiales, "Dijo Lawrie.

El título del artículo es "Interferometría no lineal truncada para microscopía cuántica de fuerza atómica mejorada".