Quantum scanning synthetic optical holography
यह शोध पत्र सिंथेटिक ऑप्टिकल होलोग्राफी को अनडिटेक्टेड लाइट (undetected light) का उपयोग करने वाली क्वांटम इमेजिंग के साथ एकीकृत करके इसे क्वांटम क्षेत्र तक विस्तारित करता है, जिससे दृश्य-तरंग दैर्ध्य (visible-wavelength) डिटेक्शन के माध्यम से लेबल-मुक्त, विवर्तन-सीमित (diffraction-limited) मिड-इन्फ्रारेड फेज इमेजिंग सक्षम होती है और फोटॉन-पेयर सहसंबंधों (photon-pair correlations) से स्थानिक रिज़ॉल्यूशन को अलग किया जाता है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक रहस्य सुलझाने की कोशिश कर रहे हैं एक जासूस हैं, लेकिन आपका एक बहुत ही अजीब नियम है: आपको केवल अपनी आँखों से सुरागों को देखने की अनुमति है, फिर भी वे सुराग आपकी आँखों के लिए अदृश्य हैं। यह अनडिटेक्टेड लाइट के साथ क्वांटम इमेजिंग (QIUL) की दुनिया है। इस भौतिकी के कोने में, वैज्ञानिक एक विशेष तरकीब का उपयोग करते हैं जिससे वे उस प्रकाश का उपयोग करके वस्तुओं को "देख" सकते हैं जो मानव आँख के लिए अदृश्य है, जैसे कि मिड-इन्फ्रारेड प्रकाश (जो गर्मी जैसा महसूस होता है), लेकिन वे वास्तव में अपने कैमरों के साथ दृश्य प्रकाश (visible light) का उपयोग करके देखते हैं। यह जादुई जुड़वा बच्चों की तरह काम करता है: एक जुड़वा (अदृश्य प्रकाश) वस्तु के पास जाता है और उसके रहस्य सीखता है, जबकि दूसरा जुड़वा (दृश्य प्रकाश) घर पर ही रहता है। क्योंकि वे क्वांटम जुड़वा हैं, वे इतने गहराई से जुड़े हुए हैं कि जब पहला जुड़वा समाचार लेकर वापस आता है, तो दूसरे जुड़वे को तुरंत पता चल जाता है कि क्या हुआ, भले ही वह घर से बाहर कभी निकला ही न हो। यह वैज्ञानिकों को ऐसी वस्तुओं की तस्वीरें लेने की अनुमति देता है जो सामान्य रूप से उनके कैमरों को जला सकती हैं या नुकसान पहुँचा सकती हैं, दृश्य प्रकाश का उपयोग करके काम करने के लिए।
लेकिन इस पहेली में एक हिस्सा गायब था। जबकि वैज्ञानिक यह तस्वीरें लेने में सक्षम थे कि कोई वस्तु कितनी चमकदार थी, उन्हें यह समझने में संघर्ष करना पड़ा कि प्रकाश किसी वस्तु से गुजरते समय कितना धीमा हो जाता है। इस "धीमे होने" को फेज (phase) कहा जाता है, और पारदर्शी चीजों जैसे कांच, पानी या जीवित कोशिकाओं को बिना रंगों (dyes) के देखने के लिए यह अत्यंत महत्वपूर्ण है। लंबे समय तक, इस फेज की जानकारी प्राप्त करने के लिए पूरे दृश्य की एक विस्तृत, धुंधली तस्वीर लेनी पड़ती थी। लेकिन क्या होगा यदि आप किसी वस्तु को एक बार में एक बिंदु के बजाय, एक-एक करके स्कैन करना चाहते हैं? यह एक चुनौती थी: कैसे आप एक-एक करके स्कैन करते समय एक पारदर्शी वस्तु का पूर्ण, विस्तृत "फेज मैप" प्राप्त कर सकते हैं, जबकि आप इस अदृश्य-प्रकाश वाली तरकीब का उपयोग कर रहे हों?
यह शोध पत्र एक चतुर नई विधि पेश करता है जिसे क्वांटम स्कैनिंग सिंथेटिक ऑप्टिकल होलोग्राफी कहा जाता है। इसे ऐसे समझें: कल्पना करें कि आप एक छिपी हुई वस्तु के आकार का पता लगाने की कोशिश कर रहे हैं, किसी वस्तु से टकराकर वापस आने वाली ध्वनि की गूँज (echo) को सुनकर। यदि आप बस स्थिर खड़े रहते हैं, तो गूँज भ्रमित करने वाली होती है। लेकिन यदि आप चिल्लाते हुए आगे-पीछे चलना शुरू करते हैं, तो बदलती हुई गूँज वस्तु के आकार को प्रकट करने वाला एक पैटर्न बनाती है। शोधकर्ताओं ने प्रकाश के साथ बिल्कुल ऐसा ही किया। उन्होंने एक ऐसा सिस्टम बनाया जहाँ वे अदृश्य मिड-इन्फ्रारेड प्रकाश के साथ एक नमूने को स्कैन करते हैं और साथ ही दृश्य प्रकाश के साथी के पथ में एक दर्पण (mirror) को हिलाते हैं। यह गति एक "सिंथेटिक" तरंग पैटर्न बनाती है, जो तालाब में उठने वाली लहरों की तरह है, जो वस्तु के छिपे हुए आकार को दृश्य प्रकाश में समाहित (encode) कर देती है।
टीम ने तीन अलग-अलग प्रकार के "रहस्यों" पर परीक्षण करके प्रदर्शित किया कि यह तरीका काम करता है। सबसे पहले, उन्होंने एक बाइनरी मास्क (एक साधारण ब्लैक-एंड-व्हाइट पैटर्न) को देखा ताकि यह साबित किया जा सके कि सिस्टम बुनियादी संरचना को पढ़ सकता है। इसके बाद, वे कांच की एक वास्तव में पारदर्शी प्लेट पर गए जिसमें "IOF" अक्षर उकेरे गए थे। चूंकि कांच स्पष्ट है, इसलिए यह प्रकाश को रोकता नहीं है, इसलिए एक सामान्य कैमरा कुछ भी नहीं देख पाता है। लेकिन उनके नए क्वांटम स्कैनर ने उन अक्षरों को सफलतापूर्वक प्रकट किया, क्योंकि उसने यह मापा कि प्रकाश उकेरी गई खांचों से गुजरते समय कैसे धीमा हुआ। अंत में, उन्होंने एक मानव कैंसर कोशिकाओं के समूह को अंतिम परीक्षा के रूप में लिया। ये कोशिकाएं काफी हद तक पानी से बनी होती हैं और लगभग अदृश्य होती हैं। सिस्टम ने बिना किसी फ्लोरोसेंट डाई या लेबल के उपयोग के, कोशिका समूह के समग्र आकार और मोटाई का सफलतापूर्वक मानचित्रण किया, जिससे यह दिखाया गया कि यह तकनीक जैविक संरचनाओं को देखने के लिए सुरक्षित और गैर-आक्रामक तरीके से काम करती है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि अपने दर्पण की गति को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, वे एक स्पष्ट छवि बनाने के लिए प्रकाश संकेत के विभिन्न हिस्सों को अलग कर सकते हैं। उन्होंने दिखाया कि सिस्टम 17 माइक्रोमीटर (एक मानव बाल की चौड़ाई के बराबर) जितने छोटे फीचर्स को भी पहचान सकता है और कांच की मोटाई में सूक्ष्म बदलावों को माप सकता है, जो प्रकाश के फेज में 0.82 रेडियन जितने छोटे बदलावों का पता लगा सकता है। हालांकि सिस्टम कोशिकाओं के सूक्ष्म आंतरिक विवरणों को नहीं देख सका (क्योंकि वे वर्तमान सिस्टम की सीमा से छोटे हैं), इसने कोशिका समूह के समग्र "मॉर्फोलॉजी" या आकार को सफलतापूर्वक कैप्चर किया। यह कार्य यह सिद्ध करता है कि आप दृश्य प्रकाश डिटेक्टरों का उपयोग करके केवल दृश्य प्रकाश के माध्यम से पारदर्शी, गर्मी के प्रति संवेदनशील या जैविक वस्तुओं को देखने के लिए, बिंदु-दर-बिंदु स्कैनिंग की सुरक्षा को क्वांटम इमेजिंग की शक्ति के साथ जोड़ सकते हैं, जो बिना छुए सूक्ष्म दुनिया को देखने के नए रास्ते खोलता है।
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