超越衍射极限的方法：超级透镜与量子纠缠
|
衍射是指波在遇到障碍物或通过孔隙时，向障碍物或孔隙的几何阴影区域弯曲或干涉的现象。你可能会问，为什么波会这样做呢？这是因为波具有波动性，也就是说，它们不是像粒子那样只能沿着直线运动，而是可以在空间中传播和相互作用。当波遇到障碍物或孔隙时，它们会在障碍物或孔隙的边缘产生新的波源，这些新的波源会向各个方向发射波，并与原来的波叠加。这就导致了波在障碍物或孔隙后面发生变形和干涉。 衍射的程度取决于两个因素：孔隙的宽度和波的波长。孔隙的宽度是指波通过的空间的大小，而波的波长是指波在一定时间内传播的距离。如果孔隙的宽度和波的波长相当，那么衍射会很明显，波会向很大的角度弯曲；如果孔隙的宽度比波的波长大得多，那么衍射就不太明显，波只会向很小的角度弯曲；如果孔隙的宽度比波的波长小得多，那么衍射就几乎没有了，波就像没有遇到孔隙一样直线传播。
衍射对于我们观察微观世界有很大的影响。我们知道，光是一种电磁波，它有不同的颜色，也就是不同的波长。我们用光来照亮物体，并用镜头来放大物体的细节。但是，由于光也会发生衍射，所以当我们想要观察比光的波长小得多的物体时，就会遇到困难。例如，红光的波长大约是650nm，而蓝光的波长大约是450nm。如果我们想要观察一个100nm大小的细菌，无论我们用什么颜色的光都会发生很强的衍射，导致我们看不清楚细菌的形状和结构。这就是所谓的衍射极限，它限制了我们用光学仪器能够分辨出来的最小细节。 那么，有没有办法打破衍射极限呢？答案是肯定的。在2000年，英国帝国理工学院的约翰·彭德里提出了一种超级透镜的概念。超级透镜是一种利用负折射率材料制成的薄片，它可以以一种不同寻常的方式折射光，从而抵消衍射效应，并将物体的细节完美地成像。负折射率材料是一种人工合成的材料，它可以让光在进入时向相反的方向弯曲，就像在镜子里一样。这样，光就可以在超级透镜中形成一个实像，而不是一个虚像。这个实像包含了物体的所有信息，包括那些比光的波长小得多的信息。如果我们再用一个普通的镜头来放大这个实像，就可以看到物体的超细节了。
超级透镜听起来很神奇，但是它也有很多问题。首先，超级透镜只能在非常接近物体的地方工作，也就是说，它只能成像那些贴在它表面上的物体。其次，超级透镜非常损耗，也就是说，它会吸收很多光的能量，导致成像效果很差。因此，超级透镜并没有实现它最初的承诺，也没有给生物学家和工程师带来很大的帮助。 那么，有没有其他的方法可以实现完美成像呢？答案是肯定的。近年来，物理学家提出了许多不同的思路和方案，试图用不同的方式突破衍射极限。这些方法包括利用量子纠缠、非线性光学、超材料、时间反演等等。 那么，量子纠缠和超分辨率成像有什么关系呢？其实，在2000年，一位叫做雅各布·多尔克的科学家就提出了一个理论：如果我们用一对纠缠的光子来照射一个物体，并且只测量其中一个光子的反射或者透射信号，那么我们就可以得到比单个光子更高分辨率的信息。这是因为纠缠的光子之间有一种隐含的相关性，可以增强信号和噪声之间的比例。 但是，在实验上实现这个理论并不容易。直到2019年，一组来自耶路撒冷希伯来大学的科学家，才成功地用这种方法，实现了比衍射极限更高的分辨率。他们用一种叫做自发参量下转换的过程，产生了一对纠缠的光子。然后，他们用其中一个光子来照射一个双缝或者一个三角形的物体，用另一个光子来接收信号。他们发现，通过测量纠缠的光子之间的关联性，他们可以得到比单个光子更清晰的图像。这就证明了多尔克的理论是正确的。 这个实验是一个重要的突破，它为超分辨率成像开辟了一条新的途径。它也展示了量子物理学在光学领域的巨大潜力。我们期待着这种方法能够在未来被应用到更多的场合，比如生物成像、医学诊断、纳米技术等等。 |
