Ученые придумали, как использовать квантовую странность для улучшенных электронных микроскопов. Рассказываем главное.
Электронные микроскопы — это мощные инструменты будущего. Их используют для получения изображений с высоким разрешением. Несмотря на то, что они уже достаточно хороши, их можно улучшить, используя свойства квантового мира.
Два новых исследования
Два новых исследования, проведенные сотрудниками лаборатории МакМоррана Университета Орегона, предлагают новые идеи о том, как улучшить электронные микроскопы. Оба подразумевают использование фундаментального принципа квантовой механики: электрон может вести себя одновременно как волна и как частица. Это один из многих примеров квантовой странности, когда поведение субатомных частиц, кажется, нарушает законы классической физики.
В первом исследовании ученые предлагают изучать объект под микроскопом, не вступая с ним в контакт, предотвращая повреждение хрупких и невидимых невооруженному глазу образцов. А в рамках второй работы физики придумали, как одновременно выполнять сразу два измерения на объекте. Оба исследования публикует научный журнал Physical Review Letters.
Проблемы современных технологий
«Трудно наблюдать за чем-то, не влияя на объект, особенно в мелких деталях, — объясняет Бен МакМорран. — Похоже, квантовая физика позволяет видеть больше, ничего не разрушая».
Электронные микроскопы используются для получения крупных планов белков и клеток, а также небиологических образцов, таких как новые виды материалов. Вместо света, используемого в более традиционных микроскопах, электронные устройства фокусируют пучок электронов на образце. При взаимодействии пучка с образцом некоторые характеристики последнего изменяются. Детектор измеряет изменения в луче, которые затем преобразуются в изображение с высоким разрешением.
Но этот мощный электронный луч может повредить хрупкие структуры в образце. Со временем он может испортить те самые детали, которые пытаются изучить ученые.
Как ее решить?
В качестве обходного пути команда Макморрана использовала мысленный эксперимент Элицура – Вайдмана, опубликованный в начале 1990-х годов. В нем физики предлагали способ обнаружения чувствительной бомбы, не прикасаясь к ней и не рискуя ее взорвать.
Трюк основан на инструменте, известный как дифракционная решетка. Это тонкая мембрана с микроскопическими прорезями в ней. Когда электронный пучок попадает на дифракционную решетку, он разделяется на две части.
При правильном выравнивании этих светоделительных дифракционных решеток после разделения электрон рекомбинируется так, что попадает только на один из двух возможных выходов. Так, в новой установке электроны не сталкиваются с образцом, как в традиционной электронной микроскопии. Вместо этого рекомбинация электронного луча дает информацию об образце под микроскопом.
В другом исследовании, команда Макморрана использовала аналогичную дифракционную решетку для измерения образца в двух местах одновременно. Они разделили электронный пучок так, чтобы он проходил по обе стороны от маленькой золотой частицы, измеряя крошечные биты энергии, которые электроны передавали частице с каждой стороны.
Такой подход выявит чувствительные нюансы атомарного уровня в образце и позволит понять, как в нем взаимодействуют частицы. Это позволяет посмотреть на две отдельные его части, а затем объединить их вместе и проверить данные об их колебании.
Почему это важно?
Хотя в этих двух исследованиях проводятся разные виды измерений, они используют одну и ту же базовую установку, известную как интерферометрия. Члены команды Макморрана считают, что их инструмент может быть полезен не только в их собственной лаборатории, но и для самых разных экспериментов.
При наличии правильных материалов и инструкций установка можно добавить ко многим существующим электронным микроскопам. Другие лабораторий уже проявили к ней интерес и хотят использовать интерферометр в собственных микроскопах.
Читать далее:
За ней охотились столетиями: что нам известно о планете Вулкан рядом с Солнцем
Физики экспериментально подтвердили новый фундаментальный закон для жидкостей
Астрономы нашли планету недалеко от Земли: у нее очень странная орбита