La טכנולוגיית הקוונטים מחוללת מהפכה באופן שבו אנו תופסים את העולם המיקרוסקופימה שנראה לפני כמה עשורים כמדע בדיוני - ראיית תאים חיים בפרטי פרטים מבלי לפגוע בהם, מעקב אחר תנועת אור הלכוד בגביש, או צילום אטומים אחד אחד - מתחיל להפוך לשגרה במעבדות מובילות ברחבי העולם.
תודה לחדש מיקרוסקופים קוונטיים המסוגלים להתגבר על מגבלות הרזולוציה הקלאסיותמדענים שוברים מחסומים שהגדירו את גבולות האפשרי במשך למעלה ממאה שנה. החל במיקרוסקופיה אופטית של תאים חיים המבוססת על פוטונים שזורים ועד סימולטורים קוונטיים של גזים קרים במיוחד ומיקרוסקופי אלקטרונים 4D, המטרה המשותפת ברורה: להפיק הרבה יותר מידע עם פחות אור או מינונים נמוכים יותר של קרינה, ולראות מבנים שהיו בעבר בלתי נראים.
מגבלת הרזולוציה הקלאסית ומדוע אור רגיל אינו מספיק
במיקרוסקופ אופטי קונבנציונלי, ה- היכולת להבחין בפרטים זעירים מוגבלת על ידי אורך הגל של האור ככלל, ניתן לפענח רק מבנים שגודלם הוא לפחות בערך מחצית מאורך הגל הזה.
משמעות הדבר היא שבאמצעות אור נראה סטנדרטי, יש נקודה שבה אי אפשר להמשיך ולשפר את הרזולוציה רק על ידי הוספת הגדלה נוספת.אנחנו יכולים להתקרב, כן, אבל הפרטים מתחילים להיטשטש מכיוון שהאופי הגלי מאוד של האור משמש כתקרה פיזית.
דרך ברורה אחת להתקדם הלאה היא להשתמש אור בעל אורך גל קצר יותרכמו סגול או אפילו אולטרה סגול (UV). ככל שאורך הגל קצר יותר, כך המיקרוסקופ יכול להבחין בפרטים קטנים יותר. עם זאת, לכך יש חיסרון חשוב: קרינות אלו נושאות יותר אנרגיה ויכולות לפגוע או להרוג תאים חיים ומולקולות עדינות, משהו בלתי מקובל בביולוגיה של התא, ברפואה, או בניסויים רבים בעלי רמת דיוק גבוהה.
חוקרים מתמודדים עם איזון זה במשך שנים: אם עוצמת האור מופחתת כדי למנוע טיגון הדגימה, התמונה הופכת לרועשת.הוא מאבד ניגודיות ופרטים קריטיים. אם העוצמה מוגברת יותר מדי או שמשתמשים בקרינה אנרגטית מאוד, הדגימה סובלת מנזק בלתי הפיך. כאן נכנסים לתמונה רעיונות הפיזיקה הקוונטית.
אופטיקה מסורתית נכשלת בניסיון לשלב בין אור חלש, רגישות גבוהה ורזולוציה קיצונית. בתרחיש זה, השימוש ב- אור קוונטי שהוכן בקפידה, כגון זוגות של פוטונים שזוריםזה מאפשר לנו לעקוף חלק מהמגבלות הללו ולפתוח צוהר חדש לגמרי לעולם המיקרו והננו.
בין הפעולה ה"מצמררת" לתמונה המושלמת: שזירה קוונטית
אחת התופעות הבולטות ביותר בפיזיקה המודרנית היא הסתבכות קוונטיתעל פי מכניקת הקוונטים, שני חלקיקים יכולים להיות קשורים זה לזה באופן כה הדוק עד שמצבו של אחד קשור למצבו של השני, ללא קשר למרחק ביניהם. אלברט איינשטיין תיאר זאת כ"פעולה מפחידה מרחוק" משום שהיא התנגשה באינטואיציה הקלאסית ובמה שהציעה תורת היחסות שלו.
בהקשר של מיקרוסקופיה, הסתבכות זו מתורגמת ל זוגות של פוטונים שזורים, המכונים ביפוטוניםמנקודת מבט קוונטית, ביפוטון מתנהג כמעט כמו חלקיק מורכב יחיד שתנעו כפול בערך מזה של פוטון בודד.
מכניקת הקוונטים מזכירה לנו ש לכל חלקיק יש גם אופי דמוי גלבהקשר זה, אורך הגל נמצא ביחס הפוך לתנע: ככל שהתנע גדול יותר, כך אורך הגל קצר יותר. משמעות הדבר היא, שמכיוון שלביפוטון יש תנע אפקטיבי גדול יותר, אורך הגל האפקטיבי שלו הוא בערך חצי של הפוטונים הרופפים שבעזרתם הוא נוצר.
כל משחק הגומלין הזה של גלים וחלקיקים מעניין, כי אם נוכל לגרום למיקרוסקופ לעבוד כאילו הוא משתמש ב- אור בעל אורך גל שווה ערך לחציאנחנו יכולים לראות פרטים קטנים פי שניים מבלי להשתמש בקרינה אנרגטית או אגרסיבית יותר עבור התאים.
שימוש חכם זה בשזירה קוונטית פותח את הדלת לטכניקות אשר, על ידי החזקת פוטונים בעלי אנרגיות רכות (לדוגמה, באורך גל של כ-400 ננומטר בטווח הסגול), הם משיגים רזולוציה דומה לזו של אור אולטרה סגול, אך עם משך זמן קצר בהרבה., בסדר גודל של 200 ננומטר, אך מבלי להרוס את הדגימה.
מיקרוסקופיית צירוף מקרים קוונטי (QMC): הכפלת הרזולוציה מבלי לטגן את התאים
קבוצת חוקרים מ המכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech) פיתחה טכניקה בשם מיקרוסקופיית צירוף מקרים קוונטי (QMC)שיטה זו, המתוארת בכתב העת Nature Communications כ"מיקרוסקופיית תאים קוונטית בגבול הייזנברג", מבטיחה להכפיל את הרזולוציה שניתן להשיג עם מיקרוסקופ אופטי קונבנציונלי.
הרעיון המרכזי של QMC הוא למנף זוגות פוטונים השזורים זה בזה ליצירת ביפוטוניםביפוטונים אלה מתנהגים כישות אחת עם תנע כפול ולכן אורך גל אפקטיבי קצר יותר. לפיכך, מערכת המשתמשת באור של 400 ננומטר (על גבול הסגול) יכולה להשיג רזולוציה דומה לזו של אור של 200 ננומטר (באולטרה סגול מלא), תוך שמירה על אנרגיה המופקדת על הדגימה ברמה הרבה יותר ניתנת לניהול.
המורה ליהונג וואנג, פרופסור להנדסה רפואית והנדסת חשמל בקלטק והמחבר הראשי של עבודה זו, מסכם זאת בצורה גרפית מאוד: תאים "לא מסתדרים" עם אור אולטרה סגול, אבל אם נאיר ב-400 ננומטר ונגיע לאותו אפקט רזולוציה כמו ב-200 ננומטר, התאים "מרוצים" והמיקרוסקופ ממשיך לצבור פרטים..
גישה זו פותרת את הדילמה הקלאסית במכה אחת: אין צורך להשתמש באור אנרגטי במיוחד כדי לראות מבנים קטנים מאוד.על ידי מניפולציה של שזירה קוונטית והאופן שבו נמדדות התאמות בין פוטונים מזווגים, מערכת ה-QMC מאפשרת למיקרוסקופ להפיק יותר מכל פוטון מבלי להגביר את הנזק הפוטנציאלי לדגימות חיות.
בניגוד למיקרוסקופים מסורתיים, אשר לוכדים רק פרטים של עצם בגודל דומה למחצית מאורך הגל של האור בו נעשה שימוש, QMC זה מאפשר לך לראות מבנים קטנים בהרבה על ידי שימוש באורות פחות מזיקיםויתרה מכך, היא עושה זאת באמצעות תצורה ניסיונית שלדברי יוצריה, היא כבר מערכת בת קיימא ולא רק הדגמה מעבדתית חד פעמית.
איך QMC עובד שלב אחר שלב
כדי להגשים את הרעיון הזה, צוות Caltech בנה מכשיר אופטי שבו לייזר מאיר על גביש מיוחדגביש זה נועד להפוך חלק קטן מהפוטונים הפוגעים לזוגות שזורים, ביפוטונים. נכון לעכשיו, היעילות נמוכה מאוד (בסדר גודל של פוטון אחד למיליון), אך חוקרים כבר עובדים על שיפור קצב זה.
לאחר שנוצרו, הביפוטונים הללו הם מפרידים באמצעות מראות, עדשות ומנסרותכך ששני הפוטונים המרכיבים אותם עוברים בנתיבים שונים. אחד מהם עובר דרך הדגימה שאנו רוצים לצפות בה (הוא נקרא פוטון האות) והשני לא עובר דרך הדגימה (זהו הפוטון הסרק או הלא פעיל).
שני הפוטונים ממשיכים את דרכם דרך האופטיקה של המערכת עד שהם מגיעים לגלאי המחובר למחשב. הטריק הוא שהמחשב זה לא רק סופר פוטונים בודדים, אלא צירופי מקרים בין שני הפוטונים השזורים.בהתבסס על מידע זה, משוחזרת תמונת הדגימה, תוך ניצול האופי השזור של הזוג.
מה שמפתיע הוא שלמרות שלוקחים מסלולים נפרדים לאחר שעברו דרך התא או סוג אחר של אובייקט, הפוטונים שומרים על שזירותם ומתנהגים כמו ביפוטון. בזמן שהם מתגלים. המערכת מנצלת את הקוהרנטיות הקוונטית הזו כך שהשלם מתנהג כאילו היה לו חצי מאורך הגל.
למרות שקבוצות אחרות כבר הצליחו להשיג תמונות באמצעות ביפוטונים, צוותו של וואנג טוען שזו הפעם הראשונה... מערך מפורט במיקרוסקופ המדגים מערכת מעשית וניתנת לשחזורהם פיתחו תיאוריה קפדנית לתיאור התהליך, שיטה מהירה ומדויקת למדידת שזירה, והוכיחו את יעילותה על דגימות ביולוגיות אמיתיות.
צפה בתאים חיים ביתר פירוט ועם פחות נזק
צוות קאלטק השתמש במיקרוסקופ הקוונטי שלו כדי להשיג תמונות של תאי סרטןהודות לרזולוציה המשופרת, הם הצליחו לזהות בבירור מבנים פנימיים שונים שמיקרוסקופ אופטי קלאסי, עם אור ומינון דומים, לא הצליח לפענח.
הדבר הבולט ביותר הוא זה התאים לא ניזוקו או נהרסו במהלך התהליךמכיוון שהקרינה בה נעשה שימוש לא הייתה אנרגטית במיוחד. הקסם טמון באופן שבו המידע הקוונטי שנישא על ידי הביפוטונים מנוצל, ולא ב"הפצצת" התא בפוטונים אגרסיביים יותר ויותר.
טכניקה זו נתפסת כהתקדמות מבטיחה מאוד בתחום הדמיה רפואית ומחקר ביו-רפואיהיכולת לחקור תאים חיים, רקמות או אפילו מיקרואורגניזמים עדינים ברמת רזולוציה הקרובה לגבול שמטילה פיזיקת הקוונטים (מה שנקרא גבול הייזנברג) מבלי להרוס אותם פותחת את הדלת לאבחונים מוקדמים, ניטור טוב יותר של טיפולים והבנה טובה יותר של תהליכים ביולוגיים קריטיים.
במבט קדימה, חוקרים שוקלים את האפשרות של להשתמש ביותר משני פוטונים שזורים כדי לחדד עוד יותר את הרזולוציה ולמטב את הטכנולוגיה כדי להפחית רעשי רקע הקשורים לאינטראקציה של פוטונים עם הסביבה. כל שיפור יגביר עוד יותר את האיכות והדיוק של התמונות המתקבלות.
במקביל, פיתוח זה מניח את היסודות ליישומים בתחומים כגון מחשוב קוונטי, קריפטוגרפיה או תכנון חומרים חדשיםכאשר היכולת לאפיין מבנים בקנה מידה ננומטרי מבלי לפגוע בהם היא זהב טהור.
מיקרוסקופי גז קוונטיים: הקפאת אטומים וצפייה בהם אחד אחד
בינתיים, באירופה חלה התקדמות בחזית משלימה נוספת: מיקרוסקופים קוונטיים של גזים אולטרה-קרים. דוגמה סמלית היא QUIONE, שפותחה על ידי Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) בקסלדפלס, שהוצגה במגזין PRX Quantum.
QUIONE מתפקד כ- "סימולטור קוונטי" שמקרר אטומי סטרונציום לטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלטזה מארגן אותם לרשת אופטית ומאפשר לצפות בהם בנפרד, כמעט כאילו היו ביצים המונחות בחורים של קרטון, אבל בקנה מידה אטומי.
באופן מסורתי, מיקרוסקופי גז קוונטיים התבססו על אטומי אלקליות כמו ליתיום או אשלגןאשר קל יותר לטפל בהם מבחינה אופטית. הכנסת סטרונציום - אטום אדמה אלקלית עם ספקטרום מורכב יותר - למשטר הקוונטי פותחת את הדלת לסימולציה של חומרים ופאזות אקזוטיים הרבה יותר של חומר.
התוכנית היא כדלקמן: טמפרטורת גז הסטרונציום יורדת לערכים נמוכים ביותר למשך מספר מילישניות, מה שגורם לאטומים להאט כמעט לחלוטין ולהיתקע ברשת אופטיתמעין "רשת" של אור שנוצרת על ידי לייזרים. כל אתר ברשת מתנהג כמו באר אנרגיה קטנה שבה, בסבירות גבוהה, ישכון אטום.
הודות לתצורה זו, הצוות הצליח השג תמונות אטום אחר אטום ולחקור תופעות כמו סופרפלואידיות, שבה גז סטרונציום זורם ללא צמיגות. יתר על כן, הדינמיקה של האטומים, אשר "קופצים" מאתר אחד לאחר בסריג מבלי להתגבר על מחסומים קלאסיים, ממחישה ישירות את המפורסם אפקט מנהור קוונטי.
QUIONE כמעבד קוונטי אנלוגי ומעבדת חומרים חדשים
QUIONE אינו רק מיקרוסקופ: הוא, במהותו, מעבד קוונטי אנלוגיעל ידי התאמת צורת הסריג האופטי, עוצמת הלייזרים, האינטראקציות בין האטומים ופרמטרים אחרים, חוקרים יכולים "לתכנת" את המערכת כך... לחקות את התנהגותם של חומרים אמיתיים מורכביםאבל בסביבה מבוקרת מאוד.
זה מאפשר לנו להתמודד עם שאלות קשות, למשל, מדוע חומרים מסוימים מוליכים חשמל ללא הפסדים? (מוליכות-על) בטמפרטורות גבוהות יחסית, או כיצד אלקטרונים מאורגנים לפאזות טופולוגיות שעדיין אינן מובנות היטב.
האפשרות לחקור גזי סטרונציום בדיוק כזה, באמצעות מיקרוסקופ קוונטי מסוג זה, הופכת את QUIONE ל... כלי אסטרטגי לפיתוח מחשבי קוונטים עתידיים וטכנולוגיות נלוות. סטרונציום אטרקטיבי במיוחד לבניית שעונים אטומיים מדויקים במיוחד ומעבדים קוונטיים חזקים, כך שמכשיר המאפשר מניפולציה והדמיה שלו בקנה מידה של אטום בודד הוא יוקרה מדעית אמיתית.
חוקרים כמו לטיסיה טרואל וצוותה מציינים כי סימולציה קוונטית מסוג זה תסייע בפענוח מערכות מיקרוסקופיות מורכבות ביותר, המציעים רמזים כיצד לתכנן חומרים חדשים בעלי תכונות מותאמות אישית, החל ממוליכי-על משופרים ועד מבודדים טופולוגיים.
לפיכך, אנו מוצאים את עצמנו עם משפחה של מיקרוסקופים קוונטיים שלא רק מציגים את העולם, אלא משחזרים אותו במיניאטורה כדי להבין אותו טוב יותר, דבר שנראה שמור למודלים תיאורטיים עד לאחרונה.
אור קוונטי בעוצמה נמוכה מאוד: הפרויקט האירופי Q-MIC
הימור חזק נוסף על ה- מיקרוסקופיה קוונטית מגיעה מהפרויקט האירופי Q-MICפרויקט זה, שגם הוא מובל ברובו על ידי ICFO ומשתפי פעולה מאיטליה ומגרמניה, מתנהל מאז 2018 לפיתוח מיקרוסקופ המסוגל להשתמש באור קוונטי בעוצמה נמוכה מאוד כדי להשיג תמונות בעלות שדה ראייה רחב, רגישות גבוהה ורזולוציה טובה יותר בהשוואה למיקרוסקופים קלאסיים.
מכשיר ה-Q-MIC ייחודי בכך שהוא תוכנן במיוחד עבור להאיר את הדגימה עם זוגות של פוטונים שזוריםבמקום אור קונבנציונלי המורכב מפוטונים רבים לא מסודרים, כל זוג פוטונים נושא כמות מידע מתואמת להפליא, מה שמאפשר לחלץ יותר פרטים עם פחות קרינה כוללת.
ביישומים שבהם הדגימה רגישה ביותר - לדוגמה, חלבונים, וירוסים, מולקולות או רקמות חיות מסוימים - שיש להם אור בעוצמה נמוכה שלא יהרוס את הניסוי זה חיוני. הבעיה, כמו תמיד, היא שהפחתת העוצמה מגבירה את הרעש היחסי בתמונה, מה שבדרך כלל מטשטש את התוצאה.
Q-MIC מתגבר על מכשול זה באמצעות דפוסי התאבכות שנוצרו על ידי פוטונים שזוריםבמקום פשוט לתעד כמה פוטונים מגיעים לכל פיקסל, המצלמה מזהה זוגות פוטונים תואמים העוברים דרך המערכת האופטית ודוגמת אותם, ומידע זה משמש לשחזור התמונה באמצעות אלגוריתמים מתמטיים מתקדמים.
הודות לגישה זו, חוקרים הראו כי ניתן להפחית רעש ולהגדיל את רגישות המדידות ביותר מ-25% בהשוואה לטכניקות קלאסיות, שמירה על מינונים קלים הרבה מתחת לרמות הרגילות.
הפרעות, לוחות סווארט ושחזור תמונה
הלב האופטי של Q-MIC כולל סט של צלחות סווארטגבישים דו-שוברים המסוגלים לפצל קרן אור לשתי אלומות בעלות קיטובים שונים (אופקיים ואנכיים) הנעים בנתיבים שונים במקצת, ואלמנטים מנחים דומים לאלה המשמשים ב מערכות סיבים אופטיים.
כאשר זוגות של פוטונים שזורים עוברים דרך מערכת זו, לוחות הסווארט הם מפרידים את דרכיהם ומכוונים אותם אל הדגימהאם הדגימה שטוחה והומוגנית לחלוטין, נתיבי הפוטונים נשארים כמעט זהים. אבל אם יש שינויים בעובי, במקדם השבירה או במאפיינים אחרים, נוצרים הפרשי פאזה אשר, כאשר הקרניים מתאחדות מחדש, יוצרים דפוסי התאבכות מורכבים.
מצלמת המיקרוסקופ אינה מודדת רמות עוצמה אופטית בדרך הרגילה, אלא רשומות צירופי מקרים של הגעתם של פוטונים בנקודות שונות בשדה הראייה. על ידי חזרה על התהליך פעמים רבות, מצטבר דפוס התאבכות של שני פוטונים, המקודד מידע על המבנה העדין של הדגימה.
בעזרת אלגוריתמי שחזור, המבוססים על טכניקות מתמטיות ועיבוד אותות, מדענים הם הופכים את הדפוסים הללו לתמונות מפורטותללא צורך במערכת סריקה נקודה לנקודה. זה מאפשר כיסוי שדות ראייה רחבים יחסית עם רגישות גבוהה ורזולוציה טובה, דבר שימושי מאוד לניתוח משטחים ודגימות נרחבות.
כדי לאמת את השיפור, הם ביצעו דגימה סטנדרטית של חלבון A הדגימה הונחה על זכוכית עם תאים במרחק שווה. היא הוארה תחילה באור קלאסי ולאחר מכן באור קוונטי. דפוסי הפרעה התקבלו בשני המקרים, והתמונות שוחזרו. התוצאה הייתה ברורה: עם אור קוונטי, התמונה הייתה חלקה הרבה יותר, עם פחות רעש וקצוות מוגדרים טוב יותר של המבנים.
יישומי Q-MIC: מחומרים גמישים ועד וירוסים
תוצאות Q-MIC, שפורסמו ב התקדמות מדעהם מבהירים שאסטרטגיית תאורה קוונטית זו אינה רק קוריוז תיאורטי. היישומים הצפויים כוללים תחומים מגוונים כמו... מדע החומרים, ניתוח משטחים שקופים עבור אלקטרוניקה גמישה או בדיקה של ציפויים עדינים.
יתר על כן, היכולת שלהם לעבוד עם מנות אור דקות זה הופך אותו למועמד אידיאלי לחקר מיקרואורגניזמים רגישים במיוחד, כגון וירוסים מסוימים, ומולקולות שמתפרקות בקלות תחת אור חזק. יישומו מתוכנן גם בתחומים של קריפטוגרפיה קוונטית ותקשורת מאובטחתכאשר שליטה עדינה בפוטונים שזורים היא המפתח.
מיקרוסקופ Q-MIC מדגים כי על ידי ניצול נכון של שזירה, אנו יכולים לשפר את איכות המידע המופק מכל פוטוןהפחתת רעש והגברת דיוק מבלי להצטרך להגדיל את מינון האור.
במקביל לטכניקות מסוג QMC של Caltech, Q-MIC מחזק את הרעיון ש המהפכה הגדולה הבאה במיקרוסקופיה טמונה באופטיקה קוונטיתלא רק על ידי בניית מטרות גדולות יותר או לייזרים חזקים יותר.
מיקרוסקופ אלקטרונים קוונטי 4D: ראיית אור לכוד בגבישים פוטוניים
המהפכה הקוונטית בהדמיה אינה מוגבלת לאור נראה או לגזים קרים במיוחד. בישראל, חוקרים מ הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל הם פיתחו א מיקרוסקופ אלקטרונים 4D אולטרה מהיר מה שמאפשר תצפית ישירה על זרימת האור הלכודה בתוך גבישים פוטוניים, דבר שעד כה ניתן היה לחקור רק באמצעות סימולציות מחשב.
מערכת זו, שתוארה לראשונה בכתב העת Nature, נחשבת לאחת ה... מיקרוסקופים אופטיים לשדה קרוב המתקדמים ביותר בעולםלמרות שהליבה הטכנולוגית שלו מבוססת על מיקרוסקופ אלקטרונים חודר אולטרה-מהיר בעל יכולות ייחודיות.
הצוות בראשות פרופסור עידו קמינר יצרה פלטפורמה ניסיונית שבה פולסי אור קצרים במיוחד (בסדר גודל של פחות מ-100 פמטו-שניות) מעוררים את הדגימה. פולסים של אלקטרונים, המואצים למתחים שבין 40 קילו-וולט ל-200 קילו-וולט, בודקים אותו כדי ללכוד את מצבו החולף. במילים אחרות, הדגימה "מוארת" ו"מצולמת" באלקטרונים במרווחי זמן קצרים להפליא.
עם תצורה זו, ניתן מיפוי האינטראקציות בין אור הכלוא בננו-חומרים (כגון גבישים פוטוניים) לבין אלקטרונים חופשיים, גישה למידע על הדינמיקה של שדות אופטיים ברזולוציה מרחבית וזמנית חסרת תקדים.
התוצאה המעשית היא שלראשונה, מדענים יכולים לצפות ישירות כיצד אור מתנהג כאשר הוא לכוד ומוכוון במבנים פוטונייםבמקום להסיק זאת אך ורק ממודלים וסימולציות, זה פותח תחום חדש לתכנון חומרים קוונטיים והתקנים פוטוניים בעלי תכונות אופטימליות, למשל, לאחסון ביטים קוונטיים (קיוביטים) ביציבות רבה יותר.
חבילות גלי אלקטרונים חופשיים ותופעות קוונטיות חדשות
בבסיס התקדמות זו עומדת הפיזיקה של אינטראקציות אולטרה-מהירות בין אלקטרונים חופשיים לאורבאופן מסורתי, אלקטרודינמיקה קוונטית (QED) חוקרת כיצד חומר קוונטי - אטומים, נקודות קוונטיות, מעגלים מוליכי-על וכו' - מקיימים אינטראקציה עם מצבי אור הכלואים בחללים. זהו הבסיס הקונספטואלי של טכנולוגיות קוונטיות רבות כיום.
עם זאת, במערכות אלו, אלקטרונים קשורים ומצבי האנרגיה שלהם, טווח הספקטרלי וכללי הבחירה שלהם מוגבלים מאוד. ההתקדמות האחרונה התמקדה בישות אחרת: ה- חבילות גל קוונטיות של אלקטרונים חופשייםבניגוד לאלקטרונים קשורים, חבילות אלו יכולות להשתרע על פני טווח אנרגיה רחב ולחקור אינטראקציות מגוונות הרבה יותר.
הבעיה הייתה שלמרות תחזיות תיאורטיות מרובות של השפעות מרתקות בחללים פוטוניים עבור אלקטרונים חופשיים, איש לא הצליח לצפות בתופעות אלו באופן חד משמעי, עקב מגבלות מהותיות בעוצמת ובמשך האינטראקציה בין אלקטרונים לאור מוגבל.
המיקרוסקופ של הטכניון מתגבר על מכשול זה, ומאפשר להקליט מפות אופטיות של שדה קרוב באמצעות טבעם הקוונטי של אלקטרונים ישירותראיה מרכזית היא התצפית על תנודות מסוג רבי בספקטרום האלקטרוני, התנהגות שלא ניתן להסביר על ידי תיאוריות קלאסיות גרידא.
האינטראקציות היעילות יותר בין אלקטרונים נטולי פוטונים הנחקרות באמצעות מערכת זו עשויות להוביל ל... צימודים חזקים, סינתזת פוטונים במצבים קוונטיים מיוחדים ותופעות לא ליניאריות חסר תקדים. כל זה יועיל הן למיקרוסקופיית אלקטרונים (לדוגמה, לעבודה עם מינונים נמוכים על חומרים רגישים) והן לתחומים אחרים של פיזיקת אלקטרונים חופשיים.
יתר על כן, הידע שנצבר יסייע שיפור חדות וניגודיות צבעים במסכים קיימים, כמו אלה המבוססים על טכנולוגיית QLED (נקודות קוונטיות), שכבר מתכננים חומרים ננו/קוונטיים אחידים יותר המאפשרים חדות תמונה גדולה עוד יותר.
יחד, סך קווי המחקר הללו - QMC בקלטק, Q-MIC באירופה, QUIONE ומיקרוסקופ 4D של הטכניון - מצייר תמונה שבה ה- מיקרוסקופיה הופכת לתחום קוונטי עמוקמסוגלים להציג, לשלוט ואפילו לדמות חומר בקני מידה שהיו בעבר בגדר חלום תיאורטי בלבד.
כל המערכת האקולוגית הזו של מיקרוסקופים קוונטיים חדשים זה מסמן נקודת מפנה: זה כבר לא רק עניין של ראייה קטנה יותר, אלא של ראייה אחרת, רתימת תופעות כמו שזירה, מנהור, קוהרנטיות והתאבכות מרובת חלקיקים כדי לחלץ מידע שלא ניתן היה לדמיין לפני כמה עשורים. ככל שטכנולוגיות אלו יתבגרו ויעברו מעבר למעבדה, הן צפויות לשנות את הרפואה, האלקטרוניקה, מדע החומרים, ובאופן רחב יותר, את הבנתנו את הרמות הפנימיות ביותר של המציאות.
