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多伦多大学物理学家线束忽略了光的特性

经过多伦多大学|February 16, 2017

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多伦多大学researchers have demonstrated a way to increase the resolution of microscopes and telescopes beyond long-accepted limitations by tapping into previously neglected properties of light. The method allows observers to distinguish very small or distant objects that are so close together they normally meld into a single blur.

望远镜和显微镜非常适合观察孤独的受试者。科学家可以精确检测并测量单个远处的恒星。他们观察到的时间越长,他们的数据就越完善。

但是像二进制恒星这样的物体并不能以相同的方式工作。

那是因为即使是最好的望远镜也受到物理定律的约束,这些定律会导致光散开或“衍射”。一个尖锐的精确点变成了一个非常模糊的点。如果两个恒星如此近,以至于它们的模糊重叠,则没有任何观察可以将它们分开。他们的个人信息是不可撤销的。

100多年前,英国物理学家约翰·威廉·斯特鲁特(John William Strutt)(更名为雷利勋爵)建立了望远镜单独挑选每个物体所需的对象之间的最小距离。从那以后,“瑞利标准”一直是光学领域的固有限制。

但是,望远镜只会注册Light的“强度”或亮度。Light具有其他属性,现在似乎可以规避瑞利标准。

“要击败瑞利的诅咒,您必须做一些聪明的事情,” T量子信息和量子控制中心的物理学家Aephraim Steinberg教授,加拿大高级研究所量子信息科学计划的高级研究员。他是今天发表在《杂志》上的论文的主要作者物理评论信。

Steinberg指出,这些聪明的想法中有一些被2014年的诺贝尔化学奖所认可,但这些方法仍然仅依赖于强度,从而限制了它们可以应用的情况。“我们测量了另一个称为'相位'的光的属性。阶段为您提供了有关来源的更多信息,这些信息与那些具有较大分离的人一样非常接近。”

光在波浪中传播,所有波浪都有一个相。阶段是指海浪的位置。即使一对闭合的光源模糊为单个斑点,有关其单个波相的信息仍然完好无损。您只需要知道如何寻找它即可。这一认识是由新加坡国立大学的研究人员曼基·坦(Mankei Tsang),兰吉斯·奈尔(Ranjith Nair)和小梅(Xiao-ming Lu)于去年在《物理评论》中发表的,斯坦伯格(Steinberg's)和其他三个实验小组立即着手制定各种方法来付诸实践。

斯坦伯格说:“我们试图提出您可能做的最简单的事情。”“要进行阶段,您必须放慢速度,而光实际上很容易放慢速度。”

他的团队,包括博士生埃德温(翁Kian)Tham and Huge Ferretti, split test images in half. Light from each half passes through glass of a different thickness, which slows the waves for different amounts of time, changing their respective phases. When the beams recombine, they create distinct interference patterns that tell the researchers whether the original image contained one object or two – at resolutions well beyond the Rayleigh Criterion.

到目前为止,斯坦伯格的团队仅在涉及高度限制性参数的人工情况下测试了该方法。

他说:“我想保持谨慎 - 这些是早期阶段。”“在我们的实验室实验中,我们知道我们只有一两个位置,我们可以假设它们具有相同的强度。在现实世界中,情况不一定就是这样。但是,人们已经在接受这些想法,并查看当您放松这些假设时会发生什么。”

该进步在观察宇宙以及显微镜中都具有潜在的应用,该方法可用于研究键合分子和其他微小的紧密包装结构。

斯坦伯格说,不管最终有多少相测量最终改善成像分辨率,该实验的真实价值在于摇晃物理学家的“信息实际上在哪里”的概念。

斯坦伯格的“日常工作”是量子物理学 - 这项实验对他来说是一个离开。他说,在量子领域的工作提供了有关信息本身的关键哲学见解,这帮助他击败了雷利的诅咒。

“当我们测量量子状态时,您会有一种称为不确定性原理的东西,它说您可以查看位置或速度,但不能两者兼而有之。您必须选择自己的测量。现在,我们了解到成像比我们意识到的更像是量子力学。”他说。“当您仅衡量强度时,您就做出了选择,并抛出了信息。您学到的东西取决于您的位置。”


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