Des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont utilisé l'optique quantique pour faire progresser la microscopie de pointe et éclairer la voie à suivre pour détecter les propriétés des matériaux avec une plus grande sensibilité qu'avec les outils traditionnels.

« Nous avons montré comment utiliser la lumière comprimée - un cheval de bataille de la science de l'information quantique - comme ressource pratique pour la microscopie, " a déclaré Ben Lawrie de la division Science et technologie des matériaux de l'ORNL, qui a dirigé la recherche avec Raphael Pooser de la division des sciences informatiques et de l'ingénierie de l'ORNL. "Nous avons mesuré le déplacement d'un microcantilever de microscope à force atomique avec une sensibilité meilleure que la limite quantique standard."

Contrairement aux microscopes classiques d'aujourd'hui, Le microscope quantique de Pooser et Lawrie nécessite une théorie quantique pour décrire sa sensibilité. Les amplificateurs non linéaires du microscope de l'ORNL génèrent une source de lumière quantique spéciale connue sous le nom de lumière comprimée.

"Imaginez une image floue, " dit Pooser. " C'est bruyant et certains détails sont cachés. Classique, une lumière bruyante vous empêche de voir ces détails. Une version "serrée" est moins floue et révèle des détails fins que nous ne pouvions pas voir auparavant à cause du bruit." Il a ajouté, "Nous pouvons utiliser une source de lumière comprimée au lieu d'un laser pour réduire le bruit dans la lecture de notre capteur."

Le microcantilever d'un microscope à force atomique est un plongeoir miniature qui scanne méthodiquement un échantillon et se plie lorsqu'il détecte des changements physiques. Avec les étudiants stagiaires Nick Savino, Emma Batson, Jeff Garcia et Jacob Beckey, Lawrie et Pooser ont montré que le microscope quantique qu'ils ont inventé pouvait mesurer le déplacement d'un microcantilever avec une sensibilité 50 % supérieure à ce qui est classiquement possible. Pour des mesures d'une seconde, la sensibilité quantique améliorée était de 1,7 femtomètre, soit environ deux fois le diamètre d'un noyau de carbone.

« Des sources de lumière comprimées ont été utilisées pour fournir une sensibilité quantique améliorée pour la détection des ondes gravitationnelles générées par les fusions de trous noirs, " a déclaré Pooser. "Notre travail aide à traduire ces capteurs quantiques de l'échelle cosmologique à l'échelle nanométrique."

Leur approche de la microscopie quantique repose sur le contrôle des ondes lumineuses. Quand les vagues se combinent, ils peuvent interférer de manière constructive, ce qui signifie que les amplitudes des pics s'ajoutent pour rendre l'onde résultante plus grande. Ou ils peuvent interférer de manière destructive, ce qui signifie que les amplitudes minimales se soustraient des amplitudes maximales pour rendre l'onde résultante plus petite. Cet effet peut être vu dans les ondes dans un étang ou dans une onde électromagnétique de lumière comme un laser.

"Les interféromètres divisent puis mélangent deux faisceaux lumineux pour mesurer de petits changements de phase qui affectent l'interférence des deux faisceaux lorsqu'ils sont recombinés, " a déclaré Lawrie. " Nous avons utilisé des interféromètres non linéaires, qui utilisent des amplificateurs optiques non linéaires pour effectuer la division et le mélange afin d'obtenir une sensibilité classiquement inaccessible."

L'étude interdisciplinaire, qui est publié dans Lettres d'examen physique , est la première application pratique de l'interférométrie non linéaire.

Un aspect bien connu de la mécanique quantique, le principe d'incertitude de Heisenberg, rend impossible de définir à la fois la position et la quantité de mouvement d'une particule avec une certitude absolue. Une relation d'incertitude similaire existe pour l'amplitude et la phase de la lumière.

Ce fait crée un problème pour les capteurs qui reposent sur des sources lumineuses classiques comme les lasers :la sensibilité la plus élevée qu'ils peuvent atteindre minimise la relation d'incertitude de Heisenberg avec une incertitude égale dans chaque variable. Les sources lumineuses comprimées réduisent l'incertitude dans une variable tout en augmentant l'incertitude dans l'autre variable, ainsi « resserrant » la distribution de l'incertitude. Pour cette raison, la communauté scientifique a utilisé la compression pour étudier des phénomènes à la fois grands et petits.

La sensibilité de ces capteurs quantiques est généralement limitée par les pertes optiques. "Les états pressés sont des états quantiques fragiles, " dit Pooser. " Dans cette expérience, nous avons pu contourner le problème en exploitant les propriétés de l'enchevêtrement." L'enchevêtrement signifie des objets indépendants se comportant comme un seul. Einstein l'a appelé "action effrayante à distance". Dans ce cas, les intensités des faisceaux lumineux sont corrélées entre elles au niveau quantique.

"En raison de l'enchevêtrement, si nous mesurons la puissance d'un faisceau de lumière, cela nous permettrait de prédire la puissance de l'autre sans la mesurer, " continua-t-il. " A cause de l'enchevêtrement, ces mesures sont moins bruitées, et cela nous fournit un rapport signal sur bruit plus élevé."

L'approche de l'ORNL en matière de microscopie quantique est largement pertinente pour tout capteur optimisé qui utilise classiquement des lasers pour la lecture du signal. "Par exemple, les interféromètres conventionnels pourraient être remplacés par l'interférométrie non linéaire pour atteindre une sensibilité améliorée quantique pour la détection biochimique, la détection de matière noire ou la caractérisation des propriétés magnétiques des matériaux, " a déclaré Lawrie.

Le titre de l'article est "Interférométrie non linéaire tronquée pour la microscopie à force atomique améliorée quantique".