ความแปลกของควอนตัมช่วยให้นักวิทยาศาสตร์มองเห็นวัตถุที่ 'มองไม่เห็น': มันทำงานอย่างไร

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเป็นเครื่องมืออันทรงพลังแห่งอนาคต ใช้สำหรับรับภาพจาก

ความละเอียดสูง. แม้ว่าจะค่อนข้างดีอยู่แล้ว แต่ก็สามารถปรับปรุงได้โดยใช้คุณสมบัติของโลกควอนตัม

สองการศึกษาใหม่

การศึกษาใหม่สองเรื่องดำเนินการโดยผู้ทำงานร่วมกันห้องทดลองของ McMorran ที่มหาวิทยาลัย Oregon กำลังนำเสนอแนวคิดใหม่ๆ เกี่ยวกับวิธีปรับปรุงกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ทั้งสองอย่างเกี่ยวข้องกับการใช้หลักการพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัม กล่าวคือ อิเล็กตรอนสามารถทำงานได้ทั้งในรูปแบบคลื่นและเป็นอนุภาค นี่เป็นหนึ่งในหลายตัวอย่างของความแปลกประหลาดของควอนตัม ซึ่งพฤติกรรมของอนุภาคมูลฐานดูเหมือนจะละเมิดกฎของฟิสิกส์คลาสสิก

ในการศึกษาครั้งแรกนักวิทยาศาสตร์เสนอให้ศึกษาวัตถุใต้กล้องจุลทรรศน์โดยไม่ต้องสัมผัสกับมัน ป้องกันความเสียหายที่เปราะบางและมองไม่เห็นด้วยตาเปล่าตัวอย่าง และในงานชิ้นที่สอง นักฟิสิกส์ได้ค้นพบวิธีการวัดวัตถุสองครั้งพร้อมกัน การศึกษาทั้งสองได้รับการตีพิมพ์โดยวารสารวิทยาศาสตร์ Physical Review Letters

ปัญหาของเทคโนโลยีสมัยใหม่

“เป็นการยากที่จะสังเกตบางสิ่งโดยไม่ส่งผลกระทบต่อวัตถุโดยเฉพาะอย่างยิ่งในรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ” Ben McMorran อธิบาย “ฟิสิกส์ควอนตัมดูเหมือนจะช่วยให้เรามองเห็นได้มากขึ้นโดยไม่ทำลายสิ่งใดๆ”

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนถูกนำมาใช้เพื่อให้ได้ภาพระยะใกล้ของโปรตีนและเซลล์ ตลอดจนตัวอย่างที่ไม่ใช่ทางชีวภาพ เช่น วัสดุชนิดใหม่ แทนที่จะใช้แสงที่ใช้ในกล้องจุลทรรศน์แบบเดิมๆ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะโฟกัสลำแสงอิเล็กตรอนไปที่ตัวอย่าง ในขณะที่ลำแสงโต้ตอบกับ ตัวอย่าง คุณลักษณะบางอย่างของตัวอย่างเปลี่ยนไป  เครื่องตรวจจับจะวัดการเปลี่ยนแปลงในลำแสงซึ่งจะถูกแปลงเป็นภาพที่มีความละเอียดสูง

แต่ลำแสงอิเล็กตรอนอันทรงพลังนี้สามารถทำลายโครงสร้างที่เปราะบางในตัวอย่างได้ เมื่อเวลาผ่านไป ก็สามารถทำลายรายละเอียดที่นักวิทยาศาสตร์พยายามศึกษาได้

วิธีแก้ปัญหา?

วิธีแก้ปัญหาของทีมแมคมอร์แรนใช้การทดลองทางความคิดของ Elitzur-Weidman ที่เผยแพร่เมื่อต้นทศวรรษ 1990 ในนั้น นักฟิสิกส์เสนอวิธีการตรวจจับระเบิดที่มีความละเอียดอ่อนโดยไม่ต้องสัมผัสหรือเสี่ยงต่อการระเบิด

เคล็ดลับนี้ขึ้นอยู่กับเครื่องมือที่เรียกว่าตะแกรงเลี้ยวเบน นี่คือเมมเบรนบางๆ ที่มีรอยกรีดด้วยกล้องจุลทรรศน์ เมื่อลำอิเล็กตรอนกระทบกับตะแกรงเลี้ยวเบน ลำแสงจะแบ่งออกเป็นสองส่วน

เมื่อตัวแยกลำแสงเหล่านี้อยู่ในแนวที่ถูกต้องตะแกรงเลี้ยวเบน หลังจากการแยกตัวแล้ว อิเล็กตรอนจะรวมตัวกันอีกครั้งจนกลายเป็นเอาท์พุตที่เป็นไปได้เพียงหนึ่งในสองเอาท์พุตเท่านั้น ดังนั้นในการตั้งค่าใหม่ อิเล็กตรอนจะไม่ชนกับตัวอย่าง เช่นเดียวกับในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบดั้งเดิม การรวมตัวกันใหม่ของลำอิเล็กตรอนจะให้ข้อมูลเกี่ยวกับตัวอย่างที่อยู่ใต้กล้องจุลทรรศน์แทน

ในการศึกษาอื่น ทีมงานของ McMorranใช้ตะแกรงการเลี้ยวเบนที่คล้ายกันเพื่อวัดตัวอย่างในสองแห่งพร้อมกัน โดยแยกลำแสงอิเล็กตรอนเพื่อให้มันผ่านด้านใดด้านหนึ่งของอนุภาคทองคำเล็กๆ เป็นการวัดพลังงานเล็กๆ น้อยๆ ที่อิเล็กตรอนถ่ายโอนไปยังอนุภาคในแต่ละด้าน .

วิธีการนี้จะเปิดเผยความแตกต่างที่ละเอียดอ่อนระดับอะตอมในตัวอย่างและจะช่วยให้เราเข้าใจว่าอนุภาคมีปฏิสัมพันธ์อย่างไร ซึ่งจะทำให้คุณสามารถดูสองส่วนแยกจากกัน จากนั้นรวมเข้าด้วยกันและตรวจสอบข้อมูลการวอกแวกของพวกมัน

ทำไมสิ่งนี้จึงสำคัญ

แม้ว่าการศึกษาทั้งสองจะมีความแตกต่างกันก็ตามโดยจะใช้การตั้งค่าพื้นฐานแบบเดียวกันที่เรียกว่าอินเทอร์เฟอโรเมท สมาชิกในทีมของ McMorran เชื่อว่าเครื่องมือของพวกเขาจะมีประโยชน์ไม่เพียงแต่ในห้องปฏิบัติการของตนเองเท่านั้น

ด้วยวัสดุและคำแนะนำที่เหมาะสมสามารถเพิ่มการตั้งค่านี้ลงในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่มีอยู่ได้จำนวนมาก ห้องปฏิบัติการอื่น ๆ ได้แสดงความสนใจแล้วและต้องการใช้อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ในกล้องจุลทรรศน์ของตนเอง

อ่านเพิ่มเติม:

มันถูกตามล่ามาหลายศตวรรษ: เรารู้อะไรเกี่ยวกับดาววัลแคนข้างดวงอาทิตย์?

นักฟิสิกส์ได้ทดลองยืนยันกฎพื้นฐานใหม่สำหรับของเหลว

นักดาราศาสตร์พบดาวเคราะห์ใกล้โลก มีวงโคจรที่แปลกประหลาดมาก