Des chercheurs de l'Université de Toronto (U de T) ont démontré un moyen d'augmenter la résolution des microscopes et des télescopes au-delà des limites acceptées de longue date en exploitant les propriétés de la lumière jusqu'alors négligées. La méthode permet aux observateurs de distinguer des objets très petits ou distants qui sont si proches les uns des autres qu'ils se fondent normalement en un seul flou.

Les télescopes et les microscopes sont parfaits pour observer des sujets solitaires. Les scientifiques peuvent détecter et mesurer avec précision une seule étoile distante. Plus ils observent, plus leurs données deviennent raffinées.

Mais les objets comme les étoiles binaires ne fonctionnent pas de la même manière.

C'est parce que même les meilleurs télescopes sont soumis aux lois de la physique qui provoquent la diffusion ou la « diffraction » de la lumière. Un point précis devient un point très légèrement flou. Si deux étoiles sont si proches l'une de l'autre que leurs flous se chevauchent, aucune quantité d'observation ne peut les séparer. Leurs informations individuelles sont irrévocablement perdues.

Il y a plus de 100 ans, Le physicien britannique John William Strutt - mieux connu sous le nom de Lord Rayleigh - a établi la distance minimale entre les objets nécessaire pour qu'un télescope puisse les repérer individuellement. Le "Critère de Rayleigh" est depuis lors une limitation inhérente au domaine de l'optique.

Télescopes, bien que, n'enregistrez que "l'intensité" ou la luminosité de la lumière. La lumière a d'autres propriétés qui semblent maintenant permettre de contourner le critère de Rayleigh.

"Pour vaincre la malédiction de Rayleigh, tu dois faire quelque chose d'intelligent, " dit le professeur Aephraim Steinberg, un physicien au Centre d'information quantique et de contrôle quantique de l'Université de Toronto, et Senior Fellow dans le programme Quantum Information Science à l'Institut canadien de recherches avancées. Il est l'auteur principal d'un article publié aujourd'hui dans la revue Lettres d'examen physique .

Certaines de ces idées intelligentes ont été récompensées par le prix Nobel de chimie 2014, note Steinberg, mais ces méthodes reposent toutes sur l'intensité uniquement, limitant les situations dans lesquelles elles peuvent être appliquées. "Nous avons mesuré une autre propriété de la lumière appelée" phase ". Et phase vous donne autant d'informations sur les sources qui sont très proches les unes que sur celles avec de grandes séparations."

La lumière voyage par vagues, et toutes les ondes ont une phase. La phase fait référence à l'emplacement des crêtes et des creux d'une vague. Même lorsqu'une paire de sources lumineuses rapprochées se brouille en une seule goutte, les informations sur leurs phases d'ondes individuelles restent intactes. Il faut juste savoir le chercher. Cette réalisation a été publiée par les chercheurs de l'Université nationale de Singapour Mankei Tsang, Ranjith Nair, et Xiao-Ming Lu l'année dernière dans Physical Review X, et Steinberg et trois autres groupes expérimentaux se mirent immédiatement à concevoir une variété de façons de le mettre en pratique.

"Nous avons essayé de trouver la chose la plus simple que vous puissiez faire, " dit Steinberg. " Pour jouer avec la phase, il faut ralentir une vague, et la lumière est en fait facile à ralentir."

Son équipe, dont les doctorants Edwin (Weng Kian) Tham et Huge Ferretti, diviser les images de test en deux. La lumière de chaque moitié traverse un verre d'épaisseur différente, qui ralentit les vagues pendant différentes durées, changer leurs phases respectives. Lorsque les faisceaux se recombinent, ils créent des motifs d'interférence distincts qui indiquent aux chercheurs si l'image originale contenait un objet ou deux - à des résolutions bien au-delà du critère de Rayleigh.

Jusque là, L'équipe de Steinberg n'a testé la méthode que dans des situations artificielles impliquant des paramètres très restrictifs.

"Je veux être prudent - ce sont les premiers stades, " dit-il. " Dans nos expériences de laboratoire, nous savions que nous n'avions qu'une place ou deux, et nous pourrions supposer qu'ils avaient la même intensité. Ce n'est pas nécessairement le cas dans le monde réel. Mais les gens prennent déjà ces idées et regardent ce qui se passe lorsque vous relâchez ces hypothèses."

L'avancée a des applications potentielles à la fois dans l'observation du cosmos, et aussi en microscopie, où la méthode peut être utilisée pour étudier des molécules liées et d'autres minuscules, structures compactes.

Indépendamment de la mesure dans laquelle les mesures de phase améliorent finalement la résolution de l'imagerie, Steinberg dit que la vraie valeur de l'expérience est de bousculer le concept des physiciens de "où se trouve réellement l'information".

Le "travail de jour" de Steinberg est en physique quantique - cette expérience était un départ pour lui. Il dit que le travail dans le domaine quantique a fourni des informations philosophiques clés sur l'information elle-même qui l'ont aidé à vaincre la malédiction de Rayleigh.

"Quand nous mesurons des états quantiques, vous avez ce qu'on appelle le principe d'incertitude, qui dit que vous pouvez regarder la position ou la vitesse, mais pas les deux. Vous devez choisir ce que vous mesurez. Maintenant, nous apprenons que l'imagerie ressemble plus à la mécanique quantique que nous ne le pensions, " dit-il. " Quand vous ne mesurez que l'intensité, vous avez fait un choix et vous avez jeté des informations. Ce que vous apprenez dépend de l'endroit où vous regardez."