Keterikatan kuantum foton menggandakan resolusi mikroskop
Dengan menggunakan fenomena fisika kuantum yang "aneh", para peneliti Caltech telah menemukan cara untuk menggandakan resolusi mikroskop cahaya.
Dalam sebuah makalah yang diterbitkan dalam jurnal Nature Communications, sebuah tim yang dipimpin oleh Lihong Wang, Profesor Teknik Medis dan Teknik Listrik Bren, menunjukkan lompatan maju dalam mikroskop melalui apa yang disebut keterikatan kuantum. Keterikatan kuantum adalah fenomena di mana dua partikel dihubungkan sehingga keadaan salah satu berkorelasi dengan keadaan yang lain, terlepas dari apakah partikel tersebut berdekatan satu sama lain. Albert Einstein menyebut keterikatan kuantum sebagai "aksi seram di kejauhan" karena tidak dapat dijelaskan dengan teori relativitasnya.
Menurut teori kuantum, semua jenis partikel dapat terjerat. Dalam teknik mikroskop baru Wang, yang disebut mikroskopi kuantum kebetulan (QMC), partikel terjerat adalah foton. Secara kolektif, dua foton terjerat disebut dua-foton, dan yang penting bagi mikroskop Wang, mereka berperilaku dalam beberapa hal sebagai partikel tunggal dengan momentum dua kali lipat foton tunggal.
Karena mekanika kuantum mengatakan bahwa semua partikel juga gelombang, dan panjang gelombang gelombang berbanding terbalik dengan momentum partikel, partikel dengan momentum memiliki panjang gelombang yang lebih kecil. Oleh karena itu, karena dua foton memiliki momentum dua kali foton, ia memiliki setengah panjang gelombang foton tunggal.
Ini adalah kunci cara kerja QMC. Mikroskop hanya dapat mencitrakan fitur pada objek yang ukuran terkecilnya adalah setengah dari panjang gelombang cahaya yang digunakan oleh mikroskop. Mengurangi panjang gelombang cahaya ini berarti mikroskop dapat melihat hal-hal yang lebih kecil, meningkatkan resolusi.
Keterikatan kuantum bukanlah satu-satunya cara untuk mengurangi panjang gelombang cahaya yang digunakan dalam mikroskop. Misalnya, lampu hijau memiliki panjang gelombang lebih pendek dari lampu merah, dan lampu ungu memiliki panjang gelombang lebih pendek dari lampu hijau. Tetapi karena kekhasan fisika kuantum lainnya, cahaya dengan panjang gelombang lebih pendek membawa lebih banyak energi. Jadi, begitu Anda terkena cahaya dengan panjang gelombang yang cukup kecil untuk membayangkan benda-benda kecil, cahaya tersebut membawa begitu banyak energi sehingga dapat merusak objek yang sedang dicitrakan, terutama makhluk hidup seperti sel. Inilah sebabnya mengapa sinar ultraviolet (UV) dengan panjang gelombang yang sangat pendek dapat membuat Anda terbakar sinar matahari.
Keterbatasan ini dielakkan dengan menggunakan dua-foton, yang membawa energi lebih rendah dari foton dengan panjang gelombang lebih panjang, sekaligus memiliki panjang gelombang lebih pendek dari foton berenergi lebih tinggi.
"Sel tidak menyukai sinar UV," kata Wang. "Namun, jika kita dapat mencitrakan sel menggunakan 400-cahaya nanometer dan mencapai efek 200-cahaya nanometer, yaitu sinar ultraviolet, sel akan senang dan kita mendapatkan resolusi ultraviolet.
Untuk mencapai hal ini, tim Wang membuat perangkat optik yang menyinari sinar laser menjadi kristal khusus yang mengubah beberapa foton yang melewatinya menjadi dua foton. Bahkan dengan kristal khusus ini, sakelar ini sangat langka, terjadi pada urutan satu dari sejuta foton. Menggunakan serangkaian cermin, lensa, dan prisma, masing-masing dua foton - secara efektif terdiri dari dua foton diskrit - dibelah dan dibolak-balik sepanjang dua jalur, sehingga salah satu foton berpasangan melewati objek yang sedang dicitrakan dan yang lainnya tidak. .
Foton yang melewati objek disebut foton sinyal, dan foton yang tidak melewati objek disebut foton diam. Foton tersebut kemudian berlanjut melalui lebih banyak optik hingga mencapai detektor yang terhubung ke komputer yang membuat gambar sel berdasarkan informasi yang dibawa oleh foton sinyal. Anehnya, meskipun keberadaan objek dan jalurnya terpisah, foton berpasangan tetap terjerat sebagai dua foton, yang berperilaku setengah panjang gelombang.
Laboratorium ini bukan yang pertama menyelidiki pencitraan dua foton semacam ini, tetapi yang pertama menggunakan konsep tersebut untuk membuat sistem kerja. "Kami mengembangkan apa yang kami anggap sebagai teori yang ketat dan pengukuran keterikatan yang lebih cepat dan lebih akurat. Kami mencapai resolusi mikroskopis dan pencitraan seluler.
Meskipun secara teoritis tidak ada batasan jumlah foton yang dapat terjerat satu sama lain, setiap foton tambahan selanjutnya meningkatkan momentum multifoton yang dihasilkan sambil mengurangi panjang gelombangnya.
Penelitian di masa depan dapat menjerat lebih banyak foton, meskipun ia mencatat bahwa setiap foton tambahan semakin mengurangi kemungkinan keterjeratan yang berhasil, yang sudah serendah satu dalam sejuta, seperti yang disebutkan di atas.
