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All Solid-State Super-Twinning Photon Microscope

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Un nuovo microscopio ottico rompe la barriera di diffrazione con fotoni a correlazione quantistica

Per esplorare il nano-mondo è necessario disporre di modalità per «vedere» chiaramente ciò che sta accadendo su scale molto piccole. Un microscopio ottico innovativo utilizza fotoni correlati per rompere la barriera di risoluzione imposta dalle leggi della fisica classica.

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Nonostante gli enormi sviluppi tecnologici che migliorano la qualità dell’immagine, la microscopia ottica affronta i limiti di risoluzione imposti dalle leggi fisiche. La «barriera di diffrazione» si riferisce al limite di risoluzione dei sistemi di imaging ottico imposto dalla diffrazione, dalla diffusione delle onde luminose mentre si piegano attorno a un materiale o attraversano un’apertura stretta (e un campione in nanoscala è simile a una piccola apertura). Il progetto SUPERTWIN, finanziato dall’UE, ha sfruttato i fotoni correlati in un microscopio ottico pionieristico che supera la barriera di diffrazione, aprendo una nuova finestra sul mondo quantistico.

Stati di fotoni super-gemelli

La lunghezza d’onda (λ) più piccola della luce visibile che riusciamo a vedere è di 400 nanometri (nm) e corrisponde alla luce viola. Il limite di Rayleigh, la barriera ottica o intuitivamente la più piccola differenza riconoscibile, è definito come λ/2 per una data lunghezza d’onda; questo significa che il nostro «classico» migliore è di circa 200 nanometri. Ad esempio, un virus dell’influenza a 80-120 nanometri è una macchia indistinta se osservato con la microscopia ottica convenzionale. Per superare questa barriera, SUPERTWIN ha sfruttato il fenomeno degli stati correlati. Il coordinatore del progetto, Matteo Perenzoni della Fondazione Bruno Kessler, spiega: «Gli stati di fotoni super-gemelli, chiamati anche “stati correlati n-partiti”, sono insiemi di fotoni N di una data lunghezza d’onda che condividono proprietà quantistiche fisiche; non è possibile descriverne uno senza considerare gli altri. Fotoni N intrecciati con lunghezza d’onda λ si comportano collettivamente come un’unica entità di lunghezza d’onda λ/N (chiamata lunghezza d’onda di de Broglie) e di conseguenza il limite del criterio di Rayleigh diventa λ/2N. Ad esempio, con 5 fotoni correlati a una lunghezza d’onda di 400 nm, potremmo teoricamente ottenere una risoluzione di 40 nm».

Generare i pezzi e realizzare il puzzle

Gli scienziati di SUPERTWIN avevano bisogno di un dispositivo per produrre i fotoni separati, ma correlati, di un sistema per rilevare i singoli fotoni mentre vengono riflessi e un modo matematico per elaborare le loro caratteristiche e collegarle a quelle dell’oggetto di interesse. «Un quadro teorico ha supportato lo sviluppo di una fonte a stato solido di luce non classica e di stati di luce non classicamente correlati», spiega il coordinatore scientifico e tecnico del progetto, Dmitri Boiko, del Centro svizzero di elettronica e microtecnologia. Un sensore di immagine quantistica ad alta risoluzione esegue il rilevamento ultraveloce di un singolo fotone per la corrispondenza di stati correlati n-partiti. Perenzoni osserva che il team è entusiasta di condividere questo importante risultato con la comunità scientifica e ha già ricevuto molte richieste di valutazione in Europa e all’estero. Infine, un algoritmo di ricostruzione quantistica riunisce i pezzi del puzzle, migliorando iterativamente la risoluzione.

Riunire tutti gli elementi

Perenzoni riassume: «Il prototipo del microscopio di SUPERTWIN che sfrutta fotoni correlati non classici consente l’imaging che supera il limite di risoluzione di Rayleigh. Questa capacità senza precedenti è ulteriormente migliorata dalla dimostrazione non pianificata della discriminazione dei fotoni quantistici classici, ottenuta rilevando gli arrivi di bifotoni correlati in base alla lunghezza d’onda di de Broglie e utilizzando una maschera a fessura per trasmettere solo stati di fotone non classici». Gli strumenti dovrebbero stimolare la scoperta in numerosi settori con un impatto sui cittadini in termini di assistenza sanitaria di precisione personalizzata e di comunicazioni veloci attraverso reti quantistiche sicure. Boiko conclude: «Non solo abbiamo migliorato la risoluzione al microscopio, ma abbiamo fornito un nuovo meraviglioso set di strumenti per la generazione, il rilevamento e l’elaborazione della luce. Le nostre risorse quantistiche completamente nuove supporteranno la ricerca e lo sviluppo quantistici fungendo da nuovo paio di “occhiali” per dare uno sguardo più da vicino alla stranezza del mondo quantistico su scala nanometrica».

Parole chiave

SUPERTWIN, fotone, quantum, risoluzione, fotoni correlati, stati correlati, barriera di diffrazione, limite di Rayleigh, lunghezza d’onda di De Broglie, microscopia, N-partito, stato solido

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