科學家設計新型X射線顯微鏡 利用量子糾纏對分子進行「幽靈成像」

2020-12-23 騰訊網

▼

美國布魯克海文國家實驗室(BNL)的工程師們設計了一種奇怪的新型X射線顯微鏡，它利用量子物理學的奇特世界，對生物分子進行高解析度的「幽靈成像」，但輻射劑量較低。X射線顯微鏡是對樣品進行高解析度成像的有用工具，但其中涉及的輻射會損害敏感樣品，如病毒、細菌和一些細胞。降低輻射劑量是解決這一問題的一種方法，但不幸的是，這也降低了圖像的解析度。

現在，布魯克海文國家實驗室的研究團隊已經找到了一種以較低輻射劑量保持較高解析度的方法--他們要做的就是利用量子物理學的奇特之處，這些奇特之處讓愛因斯坦等人摸不著頭腦。

在標準的X射線顯微鏡中，一束光子被送過樣品，並被另一側的探測器收集。但在該團隊的新型量子增強型X射線顯微鏡中，光束被分成兩束，只有一半穿過樣品--然而，兩束光都能進行測量。

這怎麼可能呢？這都要歸功於一種被稱為量子糾纏的奇怪現象。從本質上講，兩個粒子可以變得如此相互糾纏，以至於與其中一個粒子的相互作用將立即改變其夥伴的狀態，無論它們之間的距離有多遠。這意味著信息在它們之間的移動速度超過了光速，而光速被認為是一個硬限制--因此愛因斯坦不願意接受這種現象。

在新型X射線顯微鏡的情況下，分束器產生了成對的糾纏光子。其中一個穿過樣品，並像往常一樣將信息傳遞到探測器。但同時，這也會導致它的夥伴也自動改變狀態，儘管它還沒有接觸到樣品。當它撞上自己的檢測器時，就可以從中獲得額外的信息。

「一束光子穿過樣品，被一個探測器收集，探測器以良好的時間解析度記錄光子，而另一束光子則編碼光子傳播的準確方向，」該項目的首席光束線科學家Andrei Fluerasu說。「這聽起來像是魔法。但通過數學計算，我們將能夠將兩個光束的信息關聯起來。」

這個過程被稱為「幽靈成像」，到目前為止，它只用於可見光的光子。新的顯微鏡將是第一個將該技術適應X射線的技術，允許捕獲小於10納米的樣品的圖像，而不會破壞它們。

隨著設計和概念的規劃，新的X射線顯微鏡將在美國國家同步輻射光源II（NSLS-II）建造。如果一切按計劃進行，它應該在2023年開始運行。

科技前沿

TechEdge

掃這裡，照亮未來

你「在看」我嗎？

相關焦點

  • 量子X射線顯微鏡即將問世
    美國能源部的布魯克黑文國家實驗室（BNL）開始建造使用量子特性改進的X射線顯微鏡。研究者表示，這是顯微鏡技術突破性的飛躍，實現使用少量的X射線，在不損傷敏感樣品的基礎上達到和現有一樣的高精確度透視。
  • 利用全新量子顯微鏡,科學家首次觀察到納米光晶體內光的動態
    以色列理工大學近日表示，艾杜·卡米內爾教授及其團隊在量子科學領域取得了重大突破，研發出能記錄光流的量子顯微鏡，並利用它直接觀察束縛在光晶體內的光。相關研究發表在《自然》雜誌上。以色列理工大學研發的量子顯微鏡 大學網站 圖卡米內爾說，他們研發出的超快透射電子顯微鏡是全球最先進的近場光學顯微鏡，用它可將不同波長的光源以不同角度照亮任何納米材料樣品，並繪製樣品中光與電子的相互作用。研究小組成員、論文第一作者王康鵬博士表示，這是他們首次真實觀察到光束縛在納米材料中的動態，而非依靠計算機模擬。
  • 新型螢光蛋白可用於超解析度光鏡-電鏡關聯顯微鏡成像
    新型螢光蛋白可用於超解析度光鏡-電鏡關聯顯微鏡成像 作者：小柯機器人 發布時間：2019/10/15 16:04:50 （SR-CLEM）成像的新型螢光蛋白mEosEM。
  • 量子技術又「上天」:新加坡用2.6公斤立方星演示量子糾纏
    一波量子技術「上天」的熱潮仍在持續。就在中國科學家宣布用「墨子號」衛星實現基於量子糾纏的量子密鑰分發後10天，一個新加坡團隊報告在立方星上實現了量子糾纏。讓光糾纏起來量子糾纏被愛因斯坦稱為「鬼魅般的遠距作用」。處於糾纏態的兩個量子（譬如光子）不論相距多遠都存在一種關聯，如果人們對其中一個量子進行操作，使其狀態發生改變，另一個的狀態也會瞬時發生相應改變。那麼，如何讓光子糾纏起來？
  • 科學網—分子「好萊塢」大片熱映
    理解的第一步是用眼看。圖片來源：Thomas Porostocky 化學家都是夢想家。每一天，他們都會設想分子在空間中飄浮著，原子用莊嚴的步伐跳著舞。他研究人員正在利用一系列技術在實驗室中導演分子電影，這些影片大多數是用令人難以置信的光或電子短脈衝解釋各個場景。其中一些依賴於掃描隧道顯微鏡（STMs）的原子精度，另一些則利用X光射線的強烈爆發揭示目標結構。 他們的目標是拍攝發生在皮秒（10-12秒）或飛秒（10-15秒）之間的事件，其間，原子僅發生了皮米級（一個氫原子的直徑約為100皮米）的移動。
  • 單分子螢光成像概述
    單分子螢光成像技術可以分為兩類：一類是在外力作用下研究單分子活動，通常通過原子力顯微鏡（AFM）、光鑷（OT）或磁鑷（MT）將力施加到單個分子上。另一類就是用螢光顯微成像觀察生物系統中單分子活動。 螢光顯微成像是生命科學領域觀察生物體結構的經典方法。
  • 我國科學家實現11公裡遠距離量子糾纏純化
    我國科學家實現11公裡遠距離量子糾纏純化 2021-01-13 07:57:19 來源：人民日報 作者：徐靖 　　中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、柳必恆研究組與南京郵電大學盛宇波等人合作
  • 33歲中科大林毅恆教授實現量子糾纏新突破!
    儘管「糾纏」這種鬼魅般相互作用的相關研究成果常有報導，但科學家們至今難以弄清糾纏的本質。我們只能看到，一旦兩個微觀粒子發生糾纏，哪怕相距遙遠，也能產生某種狀態上的關聯。利用這種關聯，人們可以完成很多神乎其技的任務。
  • 科學家設計新型原子鐘:140億年內誤差不超1/10秒
    科學家設計新型原子鐘：140億年內誤差不超1/10秒 2020-12-21 06:11:241/10秒　　科技日報北京12月20日電 (記者馮衛東)據最新一期《自然》雜誌報導，美國科學家利用量子糾纏現象新設計出一種原子鐘，如果運行約140億年(大約是當前宇宙的年齡)，該原子鐘可將時間精度保持在1/10秒之內。
  • 新型原子鐘誕生!140億年內誤差不超1/10秒,以量子糾纏原子為中心
    麻省理工學院的研究人員設計了一種方法，可以幫助建造迄今為止最精確的原子鐘。 這種新型原子鐘非常精確，140億年後的誤差還不到十分之一秒，這將有助於科學家研究重力對時間的影響。
  • 新發明外接穩定器 全自動升級超精準分子顯微鏡
    室內人員的走動、外面汽車駛過造成的細微震動，都會影響實驗室內顯微鏡觀察分子的精確度。科學家新發明了一套簡易的外接設備，加載在顯微鏡上，可以長時間「穩住」觀察樣品，顯著改善顯微鏡的精準度。實驗室 人員在觀察微觀下單個分子、進行成像的過程中，環境內任何細微的移動都會降低觀測的解析度。研究人員稱其為「漂移」（drift）誤差。「達到20～30納米的超解析度螢光顯微鏡技術獲得了諾貝爾文學獎，但是要再提升精確度，卻受限於漂移誤差。」
  • 新加坡科學家用立方星演示量子糾纏,向全球量子通信網絡邁進!
    利用衛星作為量子糾纏源，通過自由空間信道在遙遠兩地直接分發糾纏，為現有技術條件下實現基於糾纏的量子保密通信提供了可行的道路。（圖片來源：SQO團隊，渥太華大學）前不久，中國科學技術大學潘建偉院士團隊聯合牛津大學等國內外團隊，利用全球首顆量子科學實驗衛星「墨子號」，在國際上首次實現千公裡級基於糾纏的量子密鑰分發。相關研究成果於6月15日在線發表在《自然》雜誌上。
  • 光子反衝成像:觀察分子內部的新方法
    本文轉自【科技日報】；近日，德國和瑞典科學家利用歐洲X射線自由電子雷射裝置（XFEL），通過創新的「光子反衝成像」（Photon-recoil imaging）技術，研究X射線與原子之間相互作用的基本過程。
  • 利用絕熱轉換方案進行上轉換成像的設計思路
    打開APP 利用絕熱轉換方案進行上轉換成像的設計思路 中科院長春光機所 發表於 2020-12-14 11:06:09 例如，癌症細胞含有高濃度的具有特定「顏色」的分子，這些分子在紅外區很容易被檢測到，因此醫學上可以通過紅外相機對癌症進行診斷。但是目前的紅外探測技術成本高昂，且成像效果有待提高。
  • 科學家開發出新的亞細胞水平成像技術
    科學家開發出新的亞細胞水平成像技術 作者：小柯機器人 發布時間：2020/1/7 15:40:14 美國耶魯醫學院Joerg Bewersdorf課題組利用多色三維螢光成像技術揭示了納米級亞細胞結構
  • 量子力學理論測試的新方法:康普頓效應難題得到解決
    現在，法蘭克福歌德大學的物理學家團隊進行了首次由光子進行的碰撞實驗，同時觀察到了射出的電子和原子核的運動，對康普頓效應進行了運動學上完整的實驗，研究了康普頓散射氦原子的整個狀態過程。該研究成果發表在昨天的《自然物理》雜誌上。
  • 量子計算和量子模擬研究獲重要突破:中國科大在71個格點的超冷原子...
    ，取得了利用規模化量子計算和量子模擬方法求解複雜物理問題的重要突破。--構建晶格規範場模型，在實驗中通過對模擬器的各種參數的精準調控制備目標量子物態，並用量子氣體顯微鏡成像等手段，觀測所模擬的量子物態的相變、量子關聯等性質，獲得待研究規範場模型的各種物理性質。
  • 量子糾纏新發現:令人毛骨悚然的神奇現象
    事實上，量子糾纏兼具以上兩種特點。如果拋開現實世界的運作原理不談，那麼量子糾纏可以用普通概率理論來解釋。雖然它可能會出現超距幽靈作用（spooky action at a distance），但只有當無法從多維角度思考它時，它才會成立。首先，來講講什麼是量子糾纏？
  • 新的顯微鏡技術以7倍的靈敏度對活細胞進行成像
    東京大學的研究團隊開發出一種新的方法，利用現有的顯微鏡技術，在不需要添加染色劑或螢光染料的情況下，能夠更詳細地觀察活細胞內部。他們採取兩次曝光分別測量光相位的大小變化，然後將它們無縫連接的方法，創建一個高度精細的最終圖像。他們將其命名為自適應動態範圍偏移定量相位成像（ADRIFT-QPI），其成果於近日發表在《Light: Science & Applications》上。
  • 中國科大在71個格點的超冷原子量子模擬器中成功求解施溫格方程
    Model）進行了成功模擬，通過操控束縛在其中的超冷原子，從實驗上觀測到了局域規範不變量，首次使用微觀量子調控手段在量子多體系統中驗證了描述電荷與電場關係的高斯定理，取得了利用規模化量子計算和量子模擬方法求解複雜物理問題的重要突破。