फोटॉन का क्वांटम उलझाव माइक्रोस्कोप के रिज़ॉल्यूशन को दोगुना कर देता है
क्वांटम भौतिकी की एक "अजीब" घटना का उपयोग करते हुए, कैलटेक शोधकर्ताओं ने प्रकाश सूक्ष्मदर्शी के रिज़ॉल्यूशन को दोगुना करने का एक तरीका खोजा है।
नेचर कम्युनिकेशंस जर्नल में प्रकाशित एक पेपर में, मेडिकल इंजीनियरिंग और इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग के ब्रेन प्रोफेसर लिहोंग वांग के नेतृत्व में एक टीम तथाकथित क्वांटम उलझाव के माध्यम से माइक्रोस्कोपी में आगे की छलांग का प्रदर्शन करती है। क्वांटम उलझाव एक ऐसी घटना है जिसमें दो कण जुड़े होते हैं ताकि एक की स्थिति दूसरे की स्थिति के साथ सहसंबद्ध हो, भले ही कण एक-दूसरे के निकट हों। अल्बर्ट आइंस्टीन ने क्वांटम उलझाव को "दूरी पर डरावनी कार्रवाई" कहा क्योंकि इसे उनके सापेक्षता के सिद्धांत द्वारा समझाया नहीं जा सका।
क्वांटम सिद्धांत के अनुसार किसी भी प्रकार के कण को उलझाया जा सकता है। वांग की नई माइक्रोस्कोपी तकनीक में, जिसे संयोग क्वांटम माइक्रोस्कोपी (क्यूएमसी) कहा जाता है, उलझे हुए कण फोटॉन हैं। सामूहिक रूप से, दो उलझे हुए फोटॉन को दो-फोटॉन कहा जाता है, और महत्वपूर्ण रूप से वांग के माइक्रोस्कोप के लिए, वे कुछ मायनों में एक एकल कण के रूप में एक एकल फोटॉन की तुलना में दोगुने गति के साथ व्यवहार करते हैं।
चूँकि क्वांटम यांत्रिकी कहती है कि सभी कण भी तरंगें हैं, और तरंग की तरंग दैर्ध्य कण की गति के व्युत्क्रमानुपाती होती है, गति वाले कण की तरंग दैर्ध्य छोटी होती है। इसलिए, चूंकि एक दो-फोटॉन में एक फोटॉन की तुलना में दोगुना गति होती है, इसलिए इसमें एक फोटॉन की तरंग दैर्ध्य आधी होती है।
यह QMC के काम करने के तरीके की कुंजी है। माइक्रोस्कोप केवल उन वस्तुओं की छवि बना सकते हैं जिनका सबसे छोटा आकार माइक्रोस्कोप द्वारा उपयोग किए जाने वाले प्रकाश की तरंग दैर्ध्य का आधा है। इस प्रकाश की तरंग दैर्ध्य को कम करने का मतलब है कि माइक्रोस्कोप छोटी चीज़ों को देख सकता है, जिससे रिज़ॉल्यूशन में सुधार होगा।
क्वांटम उलझाव सूक्ष्मदर्शी में प्रयुक्त प्रकाश की तरंग दैर्ध्य को कम करने का एकमात्र तरीका नहीं है। उदाहरण के लिए, हरे प्रकाश की तरंगदैर्घ्य लाल प्रकाश की तुलना में कम होती है, और बैंगनी प्रकाश की तरंगदैर्घ्य हरे प्रकाश की तुलना में कम होती है। लेकिन क्वांटम भौतिकी की एक और विचित्रता के कारण, कम तरंग दैर्ध्य वाला प्रकाश अधिक ऊर्जा वहन करता है। इसलिए एक बार जब आप छोटी चीजों की छवि बनाने के लिए पर्याप्त छोटी तरंग दैर्ध्य के साथ प्रकाश के संपर्क में आते हैं, तो प्रकाश में इतनी ऊर्जा होती है कि यह छवि वाली वस्तु को नुकसान पहुंचा सकती है, विशेष रूप से कोशिकाओं जैसी जीवित चीजों को। यही कारण है कि बहुत कम तरंग दैर्ध्य की पराबैंगनी (यूवी) किरणें आपको सनबर्न दे सकती हैं।
इस सीमा को दो-फोटॉन का उपयोग करके दरकिनार किया जाता है, जो लंबी-तरंग दैर्ध्य फोटॉन की कम ऊर्जा ले जाते हैं, जबकि साथ ही उच्च-ऊर्जा फोटॉन की छोटी तरंग दैर्ध्य रखते हैं।
वांग ने कहा, "कोशिकाओं को यूवी प्रकाश पसंद नहीं है।" "हालांकि, यदि हम नैनोमीटर प्रकाश का उपयोग करके कोशिकाओं की छवि बना सकते हैं और नैनोमीटर प्रकाश का प्रभाव प्राप्त कर सकते हैं, जो पराबैंगनी प्रकाश है, तो कोशिकाएं खुश होती हैं और हमें पराबैंगनी रिज़ॉल्यूशन मिलता है।
इसे प्राप्त करने के लिए, वांग की टीम ने एक ऑप्टिकल उपकरण बनाया जो लेजर प्रकाश को एक विशेष क्रिस्टल में चमकाता है जो इसके माध्यम से गुजरने वाले कुछ फोटॉन को दो-फोटॉन में परिवर्तित करता है। यहां तक कि इस विशेष क्रिस्टल के साथ भी, यह स्विच अत्यंत दुर्लभ है, जो दस लाख फोटॉनों में से एक के क्रम पर होता है। दर्पणों, लेंसों और प्रिज्मों की एक श्रृंखला का उपयोग करते हुए, प्रत्येक दो-फोटॉन - जिसमें प्रभावी रूप से दो अलग-अलग फोटॉन शामिल होते हैं - को दो पथों के साथ विभाजित और शटल किया जाता है, इसलिए युग्मित फोटॉन में से एक छवि वाली वस्तु से गुजरता है और दूसरा नहीं। .
जो फोटॉन वस्तु से होकर गुजरते हैं उन्हें सिग्नल फोटॉन कहा जाता है, और जो फोटॉन वस्तु से नहीं गुजरते हैं उन्हें निष्क्रिय फोटॉन कहा जाता है। वे फोटॉन तब तक अधिक प्रकाशिकी के माध्यम से जारी रहते हैं जब तक कि वे एक कंप्यूटर से जुड़े डिटेक्टर तक नहीं पहुंच जाते जो सिग्नल फोटॉनों द्वारा ली गई जानकारी के आधार पर सेल की एक छवि बनाता है। आश्चर्यजनक रूप से, वस्तु की उपस्थिति और उसके अलग-अलग पथों के बावजूद, युग्मित फोटॉन दो-फोटॉनों के रूप में उलझे रहे, जो आधी तरंग दैर्ध्य पर व्यवहार करते थे।
प्रयोगशाला इस प्रकार की दो-फोटॉन इमेजिंग की जांच करने वाली पहली नहीं है, लेकिन यह एक कार्य प्रणाली बनाने के लिए अवधारणा का उपयोग करने वाली पहली प्रयोगशाला है। "हमने वह विकसित किया जो हमने सोचा था कि एक कठोर सिद्धांत और उलझाव का तेज़, अधिक सटीक माप था। हमने सूक्ष्म रिज़ॉल्यूशन और सेलुलर इमेजिंग हासिल की।
जबकि सैद्धांतिक रूप से उन फोटॉनों की संख्या की कोई सीमा नहीं है जो एक-दूसरे के साथ उलझ सकते हैं, प्रत्येक अतिरिक्त फोटॉन परिणामी मल्टीफोटोन की गति को बढ़ाता है जबकि इसकी तरंग दैर्ध्य को और कम करता है।
भविष्य के शोध और अधिक फोटॉन को उलझा सकते हैं, हालांकि उनका कहना है कि प्रत्येक अतिरिक्त फोटॉन सफल उलझाव की संभावना को और कम कर देता है, जो पहले से ही दस लाख में से एक के बराबर है, जैसा कि ऊपर बताया गया है।
