(Die Universität Glasgow) Eine neue Technik mit verschränkten Photonen hat gerade zu einer Weltneuheit geführt. Physiker haben eine erhebliche Einschränkung der traditionellen Holographie überwunden, indem sie die Quantenmechanik genutzt haben, um Informationen erfolgreich in einem Hologramm zu kodieren.
Dies könnte zu einer erheblichen Verbesserung der Holographie führen, von Unterhaltungszwecken bis hin zu ernsteren Anwendungen wie der medizinischen Bildgebung.
„Die klassische Holographie macht sehr clevere Dinge mit der Richtung, Farbe und Polarisation des Lichts, weist jedoch Einschränkungen auf, wie z. B. Interferenzen durch unerwünschte Lichtquellen und eine starke Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Instabilitäten.“ sagte der Physiker Hugo Defienne der University of Glasgow in Schottland.
„Der von uns entwickelte Prozess befreit uns von den Einschränkungen der klassischen Kohärenz und führt die Holographie in den Quantenbereich ein.“ „Die Verwendung verschränkter Photonen bietet neue Möglichkeiten zur Erstellung schärferer, detaillierterer Hologramme, die neue Möglichkeiten für praktische Anwendungen der Technik eröffnen.“
Hologramme sind etwas, was viele Menschen jeden Tag sehen. Vereinfacht ausgedrückt entstehen sie durch die Manipulation von Licht, um eine zweidimensionale Darstellung eines dreidimensionalen Bildes zu erzeugen.
Sie werden zu Sicherheitszwecken auf Banknoten, Bankkarten und Pässen verwendet, ihre Anwendungen reichen jedoch von Kunst und Unterhaltung bis hin zu Navigation medizinische Bildgebung .
Auch die Einsatzmöglichkeiten sind spannend. An der Datenspeicherung wird noch gearbeitet. Wenn die Probleme behoben sind, könnte der holografische Speicher das nächste große Ding bei der Datenspeicherung mit hoher Kapazität sein.
Um auf herkömmliche Weise ein Hologramm zu erstellen, wird ein Laserlichtstrahl in zwei Teile geteilt. An der Quelle sind die beiden Strahlen kohärent; das heißt, die Frequenz und Phase sind gleich. Ein Strahl, der Objektstrahl genannt wird, wird vom zu rendernden Objekt reflektiert. Dieses reflektierte Licht wird auf eine Sammelplatte geleitet.
Der andere Strahl, Referenzstrahl genannt, wird direkt auf die Sammelplatte gerichtet. An diesem Punkt vermischen sich die beiden Strahlen und erzeugen ein Interferenzmuster. Der Phasenunterschied zwischen den beiden Strahlen ermöglicht die Erstellung eines Hologramms.
Defienne und sein Team verwenden einen ähnlichen Aufbau mit einem geteilten Laserlichtstrahl. Aber anstatt beide Strahlen auf eine einzige Sammelplatte zu richten, versuchten sie, Quanten zu nutzen Verstrickung . Das ist ein Phänomen, bei dem Teilchenpaare entstehen - in diesem Fall Photonen (Lichtteilchen) - werden so miteinander verbunden, dass sich die an einem Element ausgeführten Aktionen auch über große Entfernungen hinweg auf das andere auswirken.
Verschränkte Photonen können erzeugt werden, indem ein energiereicheres Laserlicht durch gepaarte Betastrahlen gestrahlt wird Bariumborat Kristallplatten. Dadurch wird das Photon in zwei verschränkte Photonen aufgespalten, von denen jedes die halbe Energie des Originals hat. Das hat das Team also getan, angefangen mit einem violett-blauen Laser.
Ein Strahl wurde, wie bei der traditionellen Holographie, auf ein Objekt gerichtet, bevor er von einer Megapixel-Digitalkamera gesammelt wurde. Der andere Strahl verschränkter Photonen wurde jedoch auf einen räumlichen Lichtmodulator geleitet, der die Photonen beim Durchgang leicht verlangsamte, bevor sie von einer zweiten Kamera gesammelt wurden.
Diese leichte Verlangsamung veränderte die Phase der Photonen im Vergleich zum Objektstrahl. Dies bedeutete, dass sich die beiden Strahlen nicht überlappen mussten – das Hologramm wird durch die Messung der Korrelationen zwischen den verschränkten Photonenpositionen in den beiden Kameras erstellt. Abschließend werden vier Hologramme zu einem hochauflösenden Phasenbild kombiniert.
(Die Universität Glasgow)
„Viele große Entdeckungen in der optischen Quantenphysik wurden in den letzten Jahren mit einfachen Einzelpixel-Sensoren gemacht.“ Sie haben den Vorteil, klein, schnell und erschwinglich zu sein, ihr Nachteil besteht jedoch darin, dass sie nur sehr begrenzte Daten über den Zustand der am Prozess beteiligten verschränkten Photonen erfassen. „Es würde außerordentlich viel Zeit in Anspruch nehmen, den Detaillierungsgrad zu erfassen, den wir in einem einzigen Bild erfassen können“, erklärte der Physiker Daniele Faccio der Universität Glasgow.
„Die CCD-Sensoren, die wir verwenden, bieten uns eine beispiellose Auflösung, mit der wir spielen können – bis zu 10.000 Pixel pro Bild jedes verschränkten Photons.“ „Das bedeutet, dass wir die Qualität ihrer Verschränkung und die Quantität der Photonen in den Strahlen mit bemerkenswerter Genauigkeit messen können.“
Das Team nutzte seine neue Technik, um Hologramme des Logos der University of Glasgow sowie echte dreidimensionale Gegenstände wie einen Streifen Klebeband und einen Teil einer Vogelfeder zu erzeugen. Außerdem das Smiley-Gesicht, das Sie im Titelbild sehen.
Dies zeigt den potenziellen Einsatz der Technik zur Messung biologischer Strukturen. Es könnte unter anderem sogar eine neue Art der Mikroskopie mit einem großen Sichtfeld ermöglichen.
„Eine dieser Anwendungen könnte in der medizinischen Bildgebung liegen, wo Holographie bereits in der Mikroskopie eingesetzt wird, um Details empfindlicher Proben zu untersuchen, die oft nahezu transparent sind.“ sagte die Verteidigung .
„Unser Verfahren ermöglicht die Erstellung von Bildern mit höherer Auflösung und geringerem Rauschen, die dazu beitragen könnten, feinere Details von Zellen sichtbar zu machen und uns dabei zu helfen, mehr darüber zu erfahren, wie die Biologie auf zellulärer Ebene funktioniert.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturphysik .