تكنولوجيا الكم ودقة المجهر: العصر الجديد للتصوير

تُحدث تكنولوجيا الكم ثورة في طريقة نظرنا إلى العالم المجهري . ما كان يبدو خيالاً علمياً قبل بضعة عقود - رؤية الخلايا الحية بتفاصيل دقيقة للغاية دون إتلافها، وتتبع حركة الضوء المحصور في البلورات، أو تصوير الذرات واحدة تلو الأخرى - أصبح الآن إجراءً روتينياً في المختبرات الرائدة حول العالم.

بفضل المجاهر الكمومية الجديدة القادرة على تجاوز حدود الدقة التقليدية ، يكسر العلماء الحواجز التي حددت حدود الممكن لأكثر من قرن. فمن المجهر الضوئي للخلايا الحية القائم على الفوتونات المتشابكة، إلى المحاكيات الكمومية للغازات فائقة البرودة، والمجاهر الإلكترونية رباعية الأبعاد، يبقى الهدف المشترك واضحًا: استخلاص معلومات أكثر بكثير باستخدام ضوء أقل أو جرعات إشعاعية أقل، ورؤية تراكيب كانت في السابق غير مرئية تمامًا.

الحد الكلاسيكي للدقة ولماذا لا يكفي الضوء العادي

في المجهر الضوئي التقليدي، تكون القدرة على تمييز التفاصيل الدقيقة محدودة بطول موجة الضوء المستخدم. وكقاعدة عامة، لا يمكن تمييز سوى التراكيب التي يبلغ حجمها نصف طول الموجة تقريبًا.

هذا يعني أنه باستخدام الضوء المرئي العادي، هناك حدٌّ لا يمكنك عنده تحسين الدقة بمجرد زيادة التكبير . يمكنك الاقتراب أكثر، نعم، لكن التفاصيل تبدأ بالتشوش لأن الطبيعة الموجية للضوء نفسه تعمل كسقف مادي.

إحدى الطرق الواضحة للتقدم أكثر هي استخدام ضوء ذي أطوال موجية أقصر ، مثل البنفسجي أو حتى الأشعة فوق البنفسجية. فكلما قصر الطول الموجي، كلما صغرت التفاصيل التي يستطيع المجهر تمييزها. إلا أن لهذا الأمر عيبًا كبيرًا: فهذه الإشعاعات تحمل طاقة أكبر، وقد تُلحق الضرر بالخلايا الحية والجزيئات الدقيقة أو تقتلها ، وهو أمر غير مقبول في علم الأحياء الخلوي، والطب، والعديد من التجارب عالية الدقة.

يُعاني الباحثون منذ سنوات من صعوبة تحقيق هذا التوازن: فإذا خُفِّضت شدة الضوء لتجنب تلف العينة، تصبح الصورة مشوشة ، وتفقد تباينها، وتُفقد تفاصيل بالغة الأهمية. أما إذا زادت الشدة بشكل مفرط أو استُخدم إشعاع عالي الطاقة، فإن العينة تتعرض لتلف لا رجعة فيه. وهنا تبرز أهمية مبادئ الفيزياء الكمية.

تعجز البصريات التقليدية عن تحقيق التوازن الأمثل بين الإضاءة المنخفضة والحساسية العالية والدقة الفائقة. في هذا السياق، يتيح لنا استخدام الضوء الكمومي المُعدّ بعناية، مثل أزواج الفوتونات المتشابكة ، تجاوز بعض هذه القيود وفتح آفاق جديدة تمامًا في عالم الميكرو والنانو.

بين الفعل "المخيف" والصورة المثالية: التشابك الكمي

تُعدّ ظاهرة التشابك الكمومي من أبرز الظواهر في الفيزياء الحديثة . فبحسب ميكانيكا الكم، يمكن لجسيمين أن يرتبطا ارتباطًا وثيقًا لدرجة أن حالة أحدهما ترتبط بحالة الآخر، بغض النظر عن المسافة بينهما. وقد وصف ألبرت أينشتاين هذه الظاهرة بـ"التأثير المخيف عن بُعد" لأنها تُخالف الحدس الكلاسيكي وما اقترحته نظريته النسبية.

في سياق المجهر، ينتج عن هذا التشابك أزواج من الفوتونات المتشابكة، تُعرف باسم الفوتونات الثنائية . من منظور ميكانيكا الكم، يتصرف الفوتون الثنائي تقريبًا كجسيم مركب واحد، زخمه يساوي ضعف زخم الفوتون الفردي تقريبًا.

تُذكّرنا ميكانيكا الكم بأن لكل جسيم طبيعة موجية . في هذا الإطار، يرتبط الطول الموجي عكسيًا بالزخم: فكلما زاد الزخم، قصر الطول الموجي. وهذا يعني أنه نظرًا لأن الفوتون الثنائي يمتلك زخمًا فعالًا أكبر، فإن طوله الموجي الفعال يُقارب نصف طول موجتي الفوتونات الفردية التي نشأ منها.

إن هذا التفاعل الكامل بين الموجات والجسيمات مثير للاهتمام لأنه إذا استطعنا جعل المجهر يعمل كما لو كان يستخدم ضوءًا بطول موجي يعادل نصف ، فيمكننا رؤية تفاصيل أصغر بمرتين دون اللجوء فعليًا إلى إشعاع أكثر طاقة أو أكثر عدوانية للخلايا.

يفتح هذا الاستخدام الذكي للتشابك الكمي الباب أمام تقنيات من شأنها، من خلال الاحتفاظ بالفوتونات ذات الطاقات الناعمة (على سبيل المثال، حوالي 400 نانومتر في نطاق اللون البنفسجي)، أن تحقق دقة مماثلة لتلك الخاصة بالأشعة فوق البنفسجية الأقصر بكثير ، والتي تبلغ حوالي 200 نانومتر، ولكن دون تدمير العينة.

المجهر الكمومي المتزامن (QMC): مضاعفة الدقة دون إتلاف الخلايا

طوّر فريق من الباحثين في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (كالتك) تقنية تُسمى مجهر التزامن الكمي (QMC) . هذه الطريقة، التي وُصفت في مجلة Nature Communications بأنها "مجهر الخلية الكمي عند حد هايزنبرغ"، تعد بمضاعفة الدقة التي يمكن تحقيقها باستخدام المجهر الضوئي التقليدي.

تعتمد الفكرة الأساسية لتقنية مونت كارلو الكمومية (QMC) على تسخير أزواج الفوتونات المتشابكة لتكوين فوتونات ثنائية . تتصرف هذه الفوتونات الثنائية ككيان واحد بزخم مضاعف، وبالتالي بطول موجي فعال أقصر. وهكذا، يمكن لنظام يستخدم ضوءًا بطول موجي 400 نانومتر (على حافة الطيف البنفسجي) أن يحقق دقة مماثلة لتلك التي يحققها ضوء بطول موجي 200 نانومتر (في نطاق الأشعة فوق البنفسجية الكامل)، مع الحفاظ على الطاقة المترسبة على العينة عند مستوى يمكن التحكم فيه بشكل أفضل.

يلخص البروفيسور ليهونغ وانغ ، رئيس قسم الهندسة الطبية والهندسة الكهربائية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا والمؤلف الرئيسي لهذا العمل، الأمر بشكل بياني للغاية: الخلايا "لا تتوافق" مع الأشعة فوق البنفسجية، ولكن إذا قمنا بالإضاءة بـ 400 نانومتر وحققنا نفس تأثير الدقة كما هو الحال مع 200 نانومتر، فإن الخلايا "تكون سعيدة" ويستمر المجهر في اكتساب المزيد من التفاصيل.

يحل هذا النهج المعضلة الكلاسيكية دفعة واحدة: فليس من الضروري استخدام ضوء ذي طاقة عالية للغاية لرؤية التراكيب الصغيرة جدًا . فمن خلال التحكم في التشابك الكمي وطريقة قياس التوافق بين الفوتونات المزدوجة، يسمح نظام QMC للمجهر بالحصول على مزيد من المعلومات من كل فوتون دون زيادة الضرر المحتمل للعينات الحية.

على عكس المجاهر التقليدية، التي لا تلتقط سوى تفاصيل جسم بحجم نصف طول موجة الضوء المستخدم، تستطيع تقنية QMC رؤية تراكيب أصغر بكثير باستخدام ضوء أقل ضررًا . علاوة على ذلك، فهي تعمل بإعداد تجريبي، وفقًا لمبتكريها، يُعد نظامًا عمليًا بالفعل وليس مجرد تجربة معملية عابرة.

كيف تعمل QMC خطوة بخطوة

لتحقيق هذه الفكرة، قام فريق معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (كالتك) بتصميم جهاز بصري يصطدم فيه شعاع ليزر ببلورة خاصة . صُممت هذه البلورة لتحويل جزء صغير من الفوتونات الساقطة إلى أزواج متشابكة، تُسمى الفوتونات الثنائية. حاليًا، الكفاءة منخفضة جدًا (في حدود فوتون واحد لكل مليون فوتون)، لكن الباحثين يعملون بالفعل على تحسين هذه النسبة.

بمجرد توليد هذه الفوتونات الثنائية، يتم فصلها باستخدام المرايا والعدسات والموشورات ، بحيث يسلك الفوتونان المكونان لها مسارين مختلفين. يمر أحدهما عبر العينة التي نريد رصدها (ويسمى فوتون الإشارة)، بينما لا يمر الآخر عبر العينة (ويسمى فوتون الخمول أو غير النشط).

يواصل الفوتونان مسارهما عبر نظام البصريات حتى يصلا إلى كاشف متصل بجهاز كمبيوتر. تكمن الحيلة في أن الكمبيوتر لا يكتفي بحساب الفوتونات الفردية، بل يحسب حالات التزامن بين الفوتونين المتشابكين . ومن هذه المعلومات، تُعاد بناء صورة العينة، مستفيدةً من طبيعة التشابك بين الفوتونين.

المثير للدهشة هو أنه على الرغم من اتخاذ الفوتونات مسارات منفصلة بعد مرورها عبر خلية أو جسم آخر، فإنها تحافظ على تشابكها وتتصرف كفوتون ثنائي أثناء رصدها. يستفيد النظام من هذا التماسك الكمي بحيث يتصرف النظام ككل كما لو كان له نصف الطول الموجي.

على الرغم من نجاح مجموعات أخرى في الحصول على صور ثنائية الفوتون، يؤكد فريق وانغ أن هذه أول صورة مركبة ذات دقة مجهرية تُظهر نظامًا عمليًا وقابلًا للتكرار . وقد طوروا نظرية دقيقة لوصف العملية، وطريقة سريعة ودقيقة لقياس التشابك، وأثبتوا جدواها على عينات بيولوجية حقيقية.

شاهد الخلايا الحية بمزيد من التفصيل وبأقل قدر من الضرر

استخدم فريق معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا مجهره الكمومي لتصوير الخلايا السرطانية . وبفضل الدقة المحسّنة، تمكنوا من تحديد العديد من التراكيب الداخلية بوضوح، والتي لم يتمكن المجهر الضوئي التقليدي، ذو الضوء والإشعاع المماثلين، من رصدها.

الأمر الأكثر إثارة للدهشة هو أن الخلايا لم تتضرر أو تُدمر خلال العملية ، لأن الإشعاع المستخدم لم يكن عالي الطاقة بشكل خاص. يكمن السر في كيفية تسخير المعلومات الكمومية التي تحملها الفوتونات الثنائية، وليس في "قصف" الخلية بفوتونات متزايدة الطاقة.

تُعتبر هذه التقنية تقدماً واعداً للغاية في مجال التصوير الطبي والبحوث الطبية الحيوية . إن القدرة على دراسة الخلايا الحية أو الأنسجة أو حتى الكائنات الدقيقة الحساسة بدقة تقترب من الحد الذي تفرضه فيزياء الكم (ما يُعرف بحد هايزنبرغ) دون إتلافها، تفتح الباب أمام التشخيص المبكر، ومراقبة العلاج بشكل أفضل، وفهم أدق للعمليات البيولوجية الحيوية.

يتطلع الباحثون مستقبلاً إلى استخدام أكثر من فوتونين متشابكين لتحسين دقة الصورة، وتطوير التقنية لتقليل التشويش الناتج عن تفاعل الفوتونات مع البيئة المحيطة. ومن شأن كل تحسين أن يزيد من جودة ودقة الصور الناتجة.

في الوقت نفسه، يمهد هذا التطور الطريق لتطبيقات في مجالات مثل الحوسبة الكمومية والتشفير وتصميم المواد الجديدة ، حيث تعتبر القدرة على توصيف الهياكل على المستوى النانوي دون إتلافها أمرًا لا يقدر بثمن.

مجاهر الغاز الكمومي: تجميد الذرات ومشاهدتها واحدة تلو الأخرى

في غضون ذلك، شهدت أوروبا تقدماً على جبهة مكملة أخرى: مجاهر الكم الغازية فائقة البرودة . ومن الأمثلة البارزة على ذلك مجهر QUIONE، الذي طوره معهد علوم الفوتونيات (ICFO) في كاستيلديفيلس، والذي نُشرت نتائجه في مجلة PRX Quantum.

يعمل جهاز QUIONE كـ "محاكي كمي" يقوم بتبريد ذرات السترونتيوم إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق ، ويرتبها في شبكة بصرية ويسمح بمراقبتها بشكل فردي، كما لو كانت بيضًا موضوعة في ثقوب كرتونة، ولكن على نطاق ذري.

تقليديًا، اعتمدت مجاهر الغاز الكمومية على المعادن القلوية مثل الليثيوم أو البوتاسيوم ، والتي يسهل التعامل معها بصريًا. إن إدخال السترونتيوم - وهو معدن قلوي ترابي ذو طيف أكثر تعقيدًا - إلى عالم الكم يفتح الباب أمام محاكاة مواد وأطوار مادية أكثر غرابة.

تتم العملية على النحو التالي: تُخفَّض درجة حرارة غاز السترونتيوم إلى مستويات منخفضة للغاية لبضع أجزاء من الثانية، مما يؤدي إلى تباطؤ الذرات بشكل شبه كامل واحتجازها في شبكة بصرية ، وهي نوع من شبكة الضوء التي تولدها أشعة الليزر. يعمل كل موقع في الشبكة كبئر طاقة صغير، حيث من المرجح أن تتواجد ذرة فيه.

بفضل هذا الإعداد، تمكن الفريق من الحصول على صور ذرية ودراسة ظواهر مثل الميوعة الفائقة، حيث يتدفق غاز السترونتيوم دون لزوجة. علاوة على ذلك، فإن ديناميكيات الذرات، التي "تقفز" من موقع إلى آخر في الشبكة البلورية دون الحاجة إلى التغلب على حواجز كلاسيكية، توضح بشكل مباشر تأثير النفق الكمومي المعروف.

QUIONE كمعالج كمي تناظري ومختبر مواد جديدة

إن جهاز QUIONE ليس مجرد مجهر: بل هو في جوهره معالج كمي تناظري . فمن خلال ضبط شكل الشبكة البصرية، وشدة الليزر، والتفاعلات بين الذرات، وغيرها من المعايير، يستطيع الباحثون "برمجة" النظام لمحاكاة سلوك المواد المعقدة في العالم الحقيقي ، ولكن في بيئة شديدة التحكم.

وهذا يسمح لنا بمعالجة الأسئلة الصعبة، على سبيل المثال، لماذا تقوم بعض المواد بتوصيل الكهرباء دون فقدان (الموصلية الفائقة) عند درجات حرارة عالية نسبيًا، أو كيف يتم تنظيم الإلكترونات في مراحل طوبولوجية لا تزال غير مفهومة بشكل جيد.

إنّ القدرة على دراسة غازات السترونتيوم بهذه الدقة، باستخدام مجهر كمومي من هذا النوع، تجعل من جهاز QUIONE أداةً استراتيجيةً لتطوير الحواسيب الكمومية المستقبلية والتقنيات ذات الصلة. يُعدّ السترونتيوم عنصرًا جذابًا للغاية لبناء ساعات ذرية فائقة الدقة ومعالجات كمومية قوية، لذا فإنّ امتلاك جهاز يسمح لنا بمعالجته وتصويره على مستوى الذرة الواحدة يُعتبر إنجازًا علميًا باهرًا.

يؤكد باحثون مثل ليتيسيا تارويل وفريقها أن هذا النوع من المحاكاة الكمومية سيساعد في كشف الأنظمة المجهرية المعقدة للغاية ، مما يوفر أدلة حول كيفية تصميم مواد جديدة ذات خصائص مصممة خصيصًا، بدءًا من الموصلات الفائقة المحسنة وحتى العوازل الطوبولوجية.

وهكذا، نجد أنفسنا أمام عائلة من المجاهر الكمومية التي لا تُظهر العالم فحسب، بل تعيد خلقه بشكل مصغر لفهمه بشكل أفضل، وهو أمر كان يبدو مقتصراً على النماذج النظرية حتى وقت قريب جداً.

ضوء كمي منخفض الكثافة للغاية: المشروع الأوروبي Q-MIC

يُمثل مشروع Q-MIC الأوروبي ، الذي يقوده معهد علوم الفوتونات (ICFO) بالتعاون مع باحثين من إيطاليا وألمانيا، التزاماً قوياً آخر بالمجهر الكمومي . ومنذ عام 2018، يعمل هذا التحالف على تطوير مجهر قادر على استخدام ضوء كمومي منخفض الشدة للغاية للحصول على صور ذات مجال رؤية واسع وحساسية عالية ودقة أفضل من المجاهر التقليدية.

يتميز جهاز Q-MIC بتصميمه الفريد الذي يسمح بإضاءة العينة بأزواج من الفوتونات المتشابكة ، بدلاً من الضوء التقليدي المكون من فوتونات غير منتظمة. وبهذه الطريقة، يحمل كل زوج من الفوتونات كمية معلومات مترابطة بدقة، مما يتيح استخلاص تفاصيل أدق باستخدام كمية أقل من الإشعاع الكلي.

في التطبيقات التي تكون فيها العينة شديدة الحساسية - على سبيل المثال، بعض البروتينات أو الفيروسات أو الجزيئات أو الأنسجة الحية - يُعدّ توفير ضوء منخفض الشدة لا يُفسد التجربة أمرًا بالغ الأهمية. لكن المشكلة، كما هو الحال دائمًا، تكمن في أن تقليل شدة الضوء يزيد من التشويش النسبي في الصورة، مما يؤدي غالبًا إلى تشويش النتيجة.

تتغلب تقنية Q-MIC على هذه العقبة باستخدام أنماط التداخل الناتجة عن الفوتونات المتشابكة . فبدلاً من مجرد تسجيل عدد الفوتونات التي تصل إلى كل بكسل، تكتشف الكاميرا أزواج الفوتونات المتطابقة التي تمر عبر النظام البصري وتأخذ عينات منها، وتُستخدم هذه المعلومات لإعادة بناء الصورة باستخدام خوارزميات رياضية متقدمة.

بفضل هذا النهج، أظهر الباحثون أنه من الممكن تقليل الضوضاء وزيادة حساسية القياسات بأكثر من 25٪ مقارنة بالتقنيات الكلاسيكية ، مع الحفاظ على جرعات الضوء أقل بكثير من المستويات المعتادة.

التداخل، لوحات سافارت وإعادة بناء الصورة

يشتمل القلب البصري لـ Q-MIC على مجموعة من ألواح سافارت ، وهي بلورات ثنائية الانكسار قادرة على تقسيم شعاع الضوء إلى شعاعين باستقطابين مختلفين (أفقي ورأسي) يسيران في مسارات مختلفة قليلاً، وعناصر توجيه مماثلة لتلك المستخدمة في أنظمة الألياف البصرية.

عندما تمر أزواج من الفوتونات المتشابكة عبر هذا النظام، تفصل ألواح سافارت مساراتها وتوجهها نحو العينة . إذا كانت العينة مسطحة ومتجانسة تمامًا، فإن مسارات الفوتونات تظل متطابقة تقريبًا. أما إذا كانت هناك اختلافات في السماكة أو معامل الانكسار أو غيرها من الخصائص، فتتولد فروق في الطور، والتي عند إعادة تجميع الحزم، تُنتج أنماط تداخل معقدة.

لا تقيس كاميرا المجهر مستويات شدة الضوء بالمعنى التقليدي، بل تسجل تزامن وصول الفوتونات إلى نقاط مختلفة في مجال الرؤية. وبتكرار هذه العملية عدة مرات، يتراكم نمط تداخل فوتونين، يحمل معلومات عن البنية الدقيقة للعينة.

بفضل خوارزميات إعادة البناء، القائمة على تقنيات الرياضيات ومعالجة الإشارات، يحوّل العلماء هذه الأنماط إلى صور تفصيلية دون الحاجة إلى نظام مسح نقطي. وهذا يتيح لهم تغطية مجالات رؤية واسعة نسبيًا بحساسية عالية ودقة جيدة، وهو أمر مفيد للغاية لتحليل الأسطح والعينات الممتدة.

وللتحقق من هذا التحسن، أخذوا عينة قياسية من البروتين A مُرَسَّبة على شريحة زجاجية تحتوي على خلايا متساوية البعد. أضاءوها أولًا بضوء كلاسيكي، ثم بضوء كمومي، وحصلوا على أنماط التداخل في كلتا الحالتين، وأعادوا بناء الصور. وكانت النتيجة واضحة: مع الضوء الكمومي، كانت الصورة أكثر سلاسة، مع تشويش أقل وحواف أكثر وضوحًا للهياكل.

تطبيقات Q-MIC: من المواد المرنة إلى الفيروسات

تُظهر نتائج مشروع Q-MIC، المنشورة في مجلة Science Advances ، بوضوح أن استراتيجية الإضاءة الكمومية هذه ليست مجرد فكرة نظرية مثيرة للاهتمام. وتشمل التطبيقات المتوقعة مجالات متنوعة مثل علم المواد، وتحليل الأسطح الشفافة للإلكترونيات المرنة، وفحص الطلاءات الدقيقة.

علاوة على ذلك، فإن قدرته على العمل بجرعات ضوئية ضئيلة تجعله مرشحًا مثاليًا لدراسة الكائنات الدقيقة فائقة الحساسية، مثل بعض الفيروسات، والجزيئات التي تتحلل بسهولة تحت الإضاءة الشديدة. كما يُتوقع أن تُستخدم تطبيقاته في مجالات مثل التشفير الكمي والاتصالات الآمنة ، حيث يُعد التحكم الدقيق في الفوتونات المتشابكة أمرًا بالغ الأهمية.

يوضح مجهر Q-MIC أنه من خلال الاستغلال الصحيح للتشابك، يمكننا تحسين جودة المعلومات المستخرجة بواسطة كل فوتون ، مما يقلل الضوضاء ويزيد الدقة دون الحاجة إلى زيادة جرعة الضوء.

إلى جانب تقنيات كالتيك من نوع QMC، يعزز Q-MIC فكرة أن الثورة الكبيرة التالية في المجهر تكمن في البصريات الكمومية ، وليس فقط في بناء عدسات أكبر أو ليزرات أكثر قوة.

المجهر الإلكتروني الكمي رباعي الأبعاد: رؤية الضوء المحصور في البلورات الضوئية

لا تقتصر الثورة الكمومية في التصوير على الضوء المرئي أو الغازات فائقة البرودة. ففي إسرائيل، طوّر باحثون في معهد التخنيون - معهد إسرائيل للتكنولوجيا - مجهرًا إلكترونيًا رباعي الأبعاد فائق السرعة يسمح بالمراقبة المباشرة لتدفق الضوء المحصور داخل البلورات الضوئية، وهو أمر لم يكن بالإمكان دراسته حتى الآن إلا من خلال عمليات المحاكاة الحاسوبية.

يُعتبر هذا النظام، الذي تم وصفه لأول مرة في مجلة Nature، أحد أكثر المجاهر البصرية ذات المجال القريب تطوراً في العالم ، على الرغم من أن جوهره التكنولوجي يعتمد على مجهر إلكتروني ناقل فائق السرعة يتمتع بقدرات فريدة.

ابتكر الفريق بقيادة البروفيسور إيدو كامينر منصة تجريبية تُستخدم فيها نبضات ضوئية فائقة القصر (أقل من 100 فيمتوثانية) لإثارة العينة ، بينما تقوم نبضات إلكترونية، مُسرّعة إلى جهد يتراوح بين 40 و200 كيلوفولت، بفحصها لرصد حالتها العابرة. بعبارة أخرى، يتم "إضاءة" العينة و"تصويرها" بالإلكترونات في فترات زمنية قصيرة للغاية.

باستخدام هذا التكوين، من الممكن رسم خرائط التفاعلات بين الضوء المحصور في المواد النانوية (مثل البلورات الضوئية) والإلكترونات الحرة ، والوصول إلى معلومات حول ديناميكيات المجالات البصرية بدقة مكانية وزمنية غير مسبوقة.

والنتيجة العملية هي أنه ولأول مرة، أصبح بإمكان العلماء مراقبة سلوك الضوء مباشرةً عند حصره وتوجيهه داخل الهياكل الفوتونية ، بدلاً من الاكتفاء باستنتاجه من النماذج والمحاكاة. وهذا يفتح آفاقاً جديدة لتصميم مواد كمومية وأجهزة فوتونية ذات خصائص مُحسَّنة، على سبيل المثال، لتخزين البتات الكمومية (كيوبتات) بثبات أكبر.

حزم موجات الإلكترون الحر والظواهر الكمومية الجديدة

يكمن وراء هذا الإنجاز فيزياء التفاعلات فائقة السرعة بين الإلكترونات الحرة والضوء . تقليديًا، درست الديناميكا الكهربائية الكمومية (QED) كيفية تفاعل المادة الكمومية - الذرات، والنقاط الكمومية، والدوائر فائقة التوصيل، وما إلى ذلك - مع أنماط الضوء المحصورة في تجاويف. وهي الأساس المفاهيمي للعديد من التقنيات الكمومية الحالية.

مع ذلك، في هذه الأنظمة، تكون الإلكترونات مقيدة ، وتكون مستويات طاقتها ونطاقها الطيفي وقواعد اختيارها محدودة للغاية. وقد ركزت التطورات الحديثة الاهتمام على كيان آخر: حزم الموجات الكمومية للإلكترونات الحرة . وعلى عكس الإلكترونات المقيدة، يمكن لهذه الحزم أن تغطي نطاقًا واسعًا من الطاقة وتستكشف نطاقًا أكثر تنوعًا من التفاعلات.

تكمن المشكلة في أنه على الرغم من وجود العديد من التنبؤات النظرية للتأثيرات الرائعة في تجاويف الفوتونات للإلكترونات الحرة، إلا أنه لم يتمكن أحد من رصد هذه الظواهر بشكل قاطع ، وذلك بسبب القيود الأساسية في قوة ومدة التفاعل بين الإلكترونات والضوء المحصور.

يتغلب مجهر التخنيون على هذه العقبة، مما يسمح بتسجيل خرائط بصرية للمجال القريب من خلال الاستفادة المباشرة من الطبيعة الكمومية للإلكترونات . ويتمثل أحد الاختبارات الرئيسية في رصد تذبذبات من نوع رابي في الطيف الإلكتروني، وهو سلوك لا يمكن تفسيره بالنظريات الكلاسيكية البحتة.

قد تُفضي التفاعلات الأكثر كفاءة بين الفوتونات والإلكترونات الحرة، التي يجري استكشافها باستخدام هذا النظام، إلى اقترانات قوية، وتوليف الفوتونات في حالات كمومية خاصة، وظواهر غير خطية جديدة. كل هذا من شأنه أن يُفيد كلاً من المجهر الإلكتروني (على سبيل المثال، من خلال تمكين التعرض بجرعات منخفضة للمواد الحساسة) ومجالات أخرى في فيزياء الإلكترونات الحرة.

علاوة على ذلك، ستساعد المعرفة المكتسبة في تحسين حدة وتباين الألوان للشاشات الحالية ، مثل تلك القائمة على تقنية QLED (النقاط الكمومية)، وتصميم مواد نانوية/كمومية أكثر تجانسًا تسمح بتعريف صورة أكبر.

إن مجموع هذه الخطوط البحثية مجتمعة - QMC في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، وQ-MIC في أوروبا، وQUIONE، ومجهر 4D في معهد التخنيون - يرسم صورة يصبح فيها المجهر تخصصًا كميًا عميقًا ، قادرًا على إظهار المادة والتحكم فيها وحتى محاكاتها على نطاقات كانت في السابق مجرد حلم نظري.

يمثل هذا النظام البيئي المتكامل للمجاهر الكمومية الجديدة نقطة تحول حاسمة: فلم يعد الأمر يقتصر على رؤية الأشياء الصغيرة فحسب، بل على رؤيتها بطريقة مختلفة، وتسخير ظواهر مثل التشابك الكمومي، والنفق الكمومي، والترابط، وتداخل الجسيمات المتعددة لاستخلاص معلومات لم يكن من الممكن تصورها قبل بضعة عقود. ومع نضوج هذه التقنيات وتجاوزها حدود المختبر، يُتوقع أن تُحدث ثورة في الطب والإلكترونيات وعلوم المواد، وبشكل أوسع، في فهمنا لأدق مستويات الواقع.