טכניקת הדמיה חדשה מעניקה למדענים את המיקום התלת-ממדי של אטומים בודדים בתוך סריג אופטי בפעם הראשונה, ועולה על שיטות קודמות שמספקות רק תמונות דו-ממדיות. שפותחה על ידי צוות מאוניברסיטת בון, גרמניה ואוניברסיטת בריסטול, בריטניה, הטכניקה יכולה לשפר את הדיוק של סימולטורים קוונטיים מבוססי אטום ולסייע בפיתוח חומרים קוונטיים חדשים.
"אנו מסוגלים כעת לצלם תמונת מצב בודדת של האטומים בסריג אופטי ולראות בדיוק היכן הם נמצאים בכל שלושת הממדים", מסבירים קארי וידנר ו אנדריאה אלברטי, שהיה שותף להובלת פיתוח הטכניקה. "טכניקות זיהוי אופטי קודמות היו מוגבלות לצילום תמונות 'שטוחות' של האטומים, אבל אטומים אינם חיים בעולם שטוח."
ניסויים על אטומים בסריגים אופטיים מתחילים בדרך כלל בשימוש באור לייזר כדי לקרר את האטומים לטמפרטורות מעט מעל האפס המוחלט. זה מאט אותם כמעט עד לעצירתם ומאפשר להם להילכד בגל עומד של אור לייזר - הסריג. לאחר שנלכדו, האטומים נחשפים לאלומת אור לייזר נוספת שגורמת להם להאיר. על ידי הדמיה של הקרינה הזו, החוקרים יכולים לקבוע את מיקומם של האטומים.
תהליך הדמיה זה מכונה מיקרוסקופיה גז קוונטית, והוא פותח לפני יותר מעשור על ידי פיזיקאים ב- אוניברסיטת הרווארד בארה"ב וב- מכון מקס פלאנק לאופטיקה קוונטית בגרמניה. השיטה הסטנדרטית, לעומת זאת, מספקת רק את קואורדינטות x ו-y של כל אטום. חסר מידע על מיקומם של האטומים בכיוון z - כלומר, המרחק שלהם מהמטרה בתוך מערכת ההדמיה.
שינוי שלב
השיטה החדשה מתקנת זאת על ידי לקיחת האור הנפלט על ידי האטומים הפלואורסציים ושינויו לפני שהוא מגיע למצלמה. ליתר דיוק, השיטה משנה את השלב של שדה האור הנפלט כך שתמונת האטום מסתובבת בחלל כפונקציה של מיקומה לאורך קו הראייה של מערכת ההדמיה.
"במקום הכתמים העגולים האופייניים המיוצרים בדרך כלל במיקרוסקופיה של גזים קוונטיים, חזית הגל המעוותת מייצרת צורת משקולת על המצלמה שמסתובבת סביב עצמה", מסביר אלברטי. "הכיוון שאליו מצביע המשקולת תלוי במרחק שהאור היה צריך לעבור מהאטום למצלמה."
המשקולת פועלת אפוא קצת כמו המחט על מצפן, ומאפשרת לחוקרים לקרוא את קואורדינטת ה-z בהתאם לכיוון שלה, מוסיף דיטר משדה, שעומד בראש מעבדת בון היכן נערכו הניסויים.
רעיון עם היסטוריה ארוכה
לדברי ויידנר, הרעיון המקורי למחקר הגיע וויליאם מורנר ו רפאל פייסטון באוניברסיטאות של סטנפורד ו קולורדו, בהתאמה. אלברטי מוסיף שזה "מרתק" שאף אחד אחר לא חשב בעבר להשתמש בשלב של שדה האור כדי לקבל מידע על מיקום ה-z של החלקיק פולט האור. השליטה בשלב של שדה האור היא בהחלט לא חדשה, הוא אומר.
"יש לו למעשה היסטוריה ארוכה: למעשה, כדי להשיג תמונות חדות (ולא מטושטשות), כל מערכות ההדמיה המעוצבות היטב בנויות כדי להפוך את השלב של כל קרני האור המגיעות למשטח המצלמה (או לרשתית בעינינו) ל- אותו דבר - זה העיקרון המפורסם של פרמה", הוא מסביר. "השוואת כל הבדלי הפאזות הללו היא מה שמתקן סטייות אופטיות. זה בעצם מה שאנחנו עושים כשאנחנו מרכיבים משקפי ראייה כדי לשפר את הראייה שלנו".
אחד האתגרים הגדולים ביותר עם הטכניקה, מוסיף אלברטי, היה למצוא נסיין מוכשר שיוכל לעבוד במשרה מלאה כדי להביא אותה לידי מימוש. "היה לנו מזל שטנגי לגראנד, סטודנט לתואר שני, החליט לקחת על עצמו את האתגר הזה", הוא אומר. "בלעדיו, לא היינו מדווחים על התוצאות המוצלחות שלנו היום".
מיקומים מדויקים עם תמונה אחת
היכולת לקבוע במדויק את מיקומי התלת-ממד של אטומים עם תמונה אחת יכולה להיות שימושית במספר הקשרים. זה יכול להקל על הפעלת אינטראקציות ספציפיות בין אטומים, וזה עשוי לעזור למדענים לפתח חומרים קוונטיים חדשים עם מאפיינים מיוחדים. "נוכל לחקור את סוגי ההשפעות המכאניות הקוונטיות המתרחשות כאשר אטומים מסודרים בסדר מסוים", מציע ויידנר. "זה יאפשר לנו לדמות את התכונות של חומרים תלת מימדיים במידה מסוימת מבלי שנצטרך לסנתז אותם."
טכניקה חדשה מכניסה גזים קוונטיים תלת מימדיים מתחת למיקרוסקופ
יתרון נוסף הוא שהטכניקה, המפורטת ב סקירה גופנית א, הוא מאוד כללי. "ניתן ליישם את השיטה שלנו על מערכות רבות, כולל מולקולות, יונים, באמת, כל פולט קוונטי", אומר ויידנר. "אנו מקווים לראות שיטה זו מיושמת במאמצי הדמיית קוואנטים תלת מימדיים ברחבי העולם."
בטווח הארוך יותר, החוקרים אומרים ש"חלום" שלהם הוא לשחזר את מיקומי התלת-ממד של מערכים גדולים המכילים כמה אלפי אטומים. מערכים גדולים אלה דורשים שדה ראייה גדול, הכרוך בסטיות אופטיות, הם מסבירים. "אנו מקווים ששיטות שחזור משופרות יוכלו להתמודד עם הסטיות הללו ולפיכך להרחיב את שדה הראייה עליו ניתן ליישם את הטכניקה שלנו", הם אומרים. "הם עשויים גם לעזור למצוא את המיקומים התלת-ממדיים של אטומים הממוקמים זה מעל זה בסריגים מלאים יותר בצפיפות."
- הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
- PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
- PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
- מקור: https://physicsworld.com/a/new-method-pinpoints-the-3d-location-of-cold-atoms-in-a-lattice/
