কোয়ান্টাম প্রযুক্তি ও মাইক্রোস্কোপের রেজোলিউশন: ইমেজিংয়ের নতুন যুগ

La কোয়ান্টাম প্রযুক্তি আণুবীক্ষণিক জগৎকে দেখার পদ্ধতিতে বৈপ্লবিক পরিবর্তন আনছে।কয়েক দশক আগেও যা কল্পবিজ্ঞানের মতো মনে হতো—যেমন জীবন্ত কোষের কোনো ক্ষতি না করে সেগুলোকে অত্যন্ত নিখুঁতভাবে দেখা, স্ফটিকের মধ্যে আটকে থাকা আলোর গতিপথ অনুসরণ করা, বা এক এক করে পরমাণুর ছবি তোলা—তা এখন বিশ্বজুড়ে শীর্ষস্থানীয় গবেষণাগারগুলোতে নিত্যনৈমিত্তিক ঘটনা হয়ে উঠতে শুরু করেছে।

নতুনদের ধন্যবাদ কোয়ান্টাম মাইক্রোস্কোপ যা রেজোলিউশনের চিরায়ত সীমাবদ্ধতা অতিক্রম করতে সক্ষমবিজ্ঞানীরা সেইসব প্রতিবন্ধকতা ভেঙে ফেলছেন যা এক শতাব্দীরও বেশি সময় ধরে সম্ভাবনার সীমা নির্ধারণ করে রেখেছিল। এনট্যাঙ্গলড ফোটনের উপর ভিত্তি করে জীবন্ত কোষের অপটিক্যাল মাইক্রোস্কোপি থেকে শুরু করে অতিশীতল গ্যাসের কোয়ান্টাম সিমুলেটর এবং ৪ডি ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপ পর্যন্ত, সকলের সাধারণ লক্ষ্য স্পষ্ট: কম আলো বা কম মাত্রার বিকিরণ ব্যবহার করে অনেক বেশি তথ্য আহরণ করা এবং এমন সব কাঠামো দেখা যা আগে আক্ষরিক অর্থেই অদৃশ্য ছিল।

চিরাচরিত রেজোলিউশনের সীমাবদ্ধতা এবং কেন সাধারণ আলো যথেষ্ট নয়

একটি প্রচলিত অপটিক্যাল মাইক্রোস্কোপে, সূক্ষ্ম বিবরণ শনাক্ত করার ক্ষমতা আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্য দ্বারা সীমিত। যা ব্যবহৃত হয়। সাধারণ নিয়ম অনুযায়ী, কেবল সেইসব কাঠামোকেই পৃথকভাবে দেখা যায়, যাদের আকার অন্তত আনুমানিক সেই তরঙ্গদৈর্ঘ্যের অর্ধেক।

এর থেকে বোঝা যায় যে, সাধারণ দৃশ্যমান আলো ব্যবহার করে এমন একটি বিন্দু আছে যেখানে শুধু বিবর্ধন বাড়িয়ে রেজোলিউশন ক্রমাগত উন্নত করা যায় না।হ্যাঁ, আমরা আরও কাছে যেতে পারি, কিন্তু খুঁটিনাটি বিষয়গুলো ঝাপসা হতে শুরু করে, কারণ আলোর তরঙ্গধর্মী প্রকৃতিই একটি ভৌত ​​ছাদ হিসেবে কাজ করে।

আরও এগিয়ে যাওয়ার একটি সুস্পষ্ট উপায় হলো ব্যবহার করা কম তরঙ্গদৈর্ঘ্যের আলোযেমন বেগুনি বা এমনকি অতিবেগুনি (UV)। তরঙ্গদৈর্ঘ্য যত কম হয়, মাইক্রোস্কোপ তত সূক্ষ্ম বিবরণও আলাদা করতে পারে। তবে, এর একটি গুরুত্বপূর্ণ অসুবিধা রয়েছে: এই বিকিরণগুলি বেশি শক্তি বহন করে এবং পারে জীবন্ত কোষ এবং সূক্ষ্ম অণুগুলির ক্ষতি বা ধ্বংস করাযা কোষ জীববিজ্ঞান, চিকিৎসাবিজ্ঞান বা অনেক উচ্চ-নির্ভুল পরীক্ষার ক্ষেত্রে অগ্রহণযোগ্য।

গবেষকরা বছরের পর বছর ধরে এই ভারসাম্য নিয়ে কাজ করে আসছেন: নমুনাটি পুড়ে যাওয়া এড়াতে আলোর তীব্রতা কমানো হলে ছবিতে ঝাপসাভাব দেখা দেয়।এর ফলে বৈসাদৃশ্য এবং গুরুত্বপূর্ণ বিবরণ হারিয়ে যায়। যদি তীব্রতা খুব বেশি বাড়ানো হয় বা খুব শক্তিশালী বিকিরণ ব্যবহার করা হয়, তবে নমুনাটি অপূরণীয় ক্ষতির শিকার হয়। এখানেই কোয়ান্টাম পদার্থবিজ্ঞানের ধারণাগুলো কাজে আসে।

কম আলো, উচ্চ সংবেদনশীলতা এবং চরম রেজোলিউশনের মধ্যে সমন্বয় করতে গেলে প্রচলিত অপটিক্স ব্যর্থ হয়। এই পরিস্থিতিতে, এর ব্যবহার যত্ন সহকারে প্রস্তুত কোয়ান্টাম আলো, যেমন জটবদ্ধ ফোটনের জোড়াএটি আমাদের এই সীমাবদ্ধতাগুলোর কিছু এড়িয়ে যেতে এবং অণু ও ন্যানো জগতের এক সম্পূর্ণ নতুন দিগন্ত উন্মোচন করতে সাহায্য করে।

‘ভীতিকর’ কার্যকলাপ এবং নিখুঁত ছবির মাঝে: কোয়ান্টাম এনট্যাঙ্গলমেন্ট

আধুনিক পদার্থবিজ্ঞানের সবচেয়ে আশ্চর্যজনক ঘটনাগুলোর মধ্যে একটি হলো কোয়ান্টাম জড়াইয়া পড়াকোয়ান্টাম বলবিদ্যা অনুসারে, দুটি কণা এতটাই নিবিড়ভাবে সম্পর্কযুক্ত হতে পারে যে, তাদের মধ্যকার দূরত্ব নির্বিশেষে একটির অবস্থা অন্যটির অবস্থার সাথে সংযুক্ত হয়ে যায়। আলবার্ট আইনস্টাইন এটিকে "দূরত্বে ভৌতিক ক্রিয়া" (spooky action at a distance) বলে বর্ণনা করেছিলেন, কারণ এটি চিরায়ত স্বজ্ঞা এবং তাঁর নিজের আপেক্ষিকতার তত্ত্বের সাথে সাংঘর্ষিক ছিল।

মাইক্রোস্কোপির প্রেক্ষাপটে, এই জটবদ্ধতা রূপান্তরিত হয় জড়িত ফোটনের জোড়া, যা বাইফোটন নামে পরিচিতকোয়ান্টাম দৃষ্টিকোণ থেকে, একটি বাইফোটন প্রায় একটি একক যৌগিক কণার মতো আচরণ করে, যার ভরবেগ একটি স্বতন্ত্র ফোটনের ভরবেগের প্রায় দ্বিগুণ।

কোয়ান্টাম বলবিদ্যা আমাদের মনে করিয়ে দেয় যে প্রতিটি কণারও একটি তরঙ্গধর্মী বৈশিষ্ট্য রয়েছে।এই প্রসঙ্গে, তরঙ্গদৈর্ঘ্য ভরবেগের সাথে ব্যস্তানুপাতিক: ভরবেগ যত বেশি, তরঙ্গদৈর্ঘ্য তত কম। এর মানে হলো, যেহেতু বাইফোটনের কার্যকর ভরবেগ বেশি, এর কার্যকর তরঙ্গদৈর্ঘ্য প্রায় অর্ধেক যে শিথিল ফোটনগুলো দিয়ে এটি উৎপন্ন হয়েছিল।

তরঙ্গ ও কণার এই পুরো পারস্পরিক ক্রিয়াটি আকর্ষণীয়, কারণ, যদি আমরা মাইক্রোস্কোপটিকে এমনভাবে কাজ করাতে পারি যেন এটি একটি অর্ধেকের সমান তরঙ্গদৈর্ঘ্যের আলোকোষগুলোর জন্য আরও শক্তিশালী বা আরও আক্রমণাত্মক বিকিরণ ব্যবহার না করেই আমরা দ্বিগুণ ছোট বিবরণ দেখতে পারি।

কোয়ান্টাম এনট্যাঙ্গলমেন্টের এই চতুর ব্যবহার এমন সব কৌশলের দ্বার উন্মোচন করে, যা মৃদু শক্তির ফোটনগুলোকে (উদাহরণস্বরূপ, বেগুনি পরিসরে প্রায় ৪০০ ন্যানোমিটার তরঙ্গদৈর্ঘ্যের) ধরে রেখে, এরা অতিবেগুনি আলোর সমতুল্য রেজোলিউশন অর্জন করে, কিন্তু এর স্থায়িত্বকাল অনেক কম।প্রায় ২০০ ন্যানোমিটার আকারের, কিন্তু নমুনাটিকে নষ্ট না করেই।

কোয়ান্টাম কোইনসিডেন্স মাইক্রোস্কোপি (কিউএমসি): কোষ পুড়িয়ে না ফেলে রেজোলিউশন দ্বিগুণ করা

থেকে একদল গবেষক ড ক্যালিফোর্নিয়া ইনস্টিটিউট অফ টেকনোলজি (ক্যালটেক) একটি কৌশল তৈরি করেছে যার নাম কোয়ান্টাম কোইনসিডেন্স মাইক্রোস্কোপি (QMC)নেচার কমিউনিকেশনস জার্নালে “কোয়ান্টাম সেল মাইক্রোস্কোপি অ্যাট দ্য হাইজেনবার্গ লিমিট” নামে বর্ণিত এই পদ্ধতিটি, একটি প্রচলিত অপটিক্যাল মাইক্রোস্কোপের মাধ্যমে প্রাপ্ত রেজোলিউশনকে দ্বিগুণ করার প্রতিশ্রুতি দেয়।

QMC-এর মূল ধারণা হলো কাজে লাগানো ফোটনের জোড়া পরস্পর জড়িয়ে বাইফোটন গঠন করেএই বাইফোটনগুলো দ্বিগুণ ভরবেগসহ একটি একক সত্তা হিসেবে আচরণ করে এবং ফলস্বরূপ এদের কার্যকর তরঙ্গদৈর্ঘ্য কম হয়। এভাবে, ৪০০ ন্যানোমিটার আলো (বেগুনি রশ্মির প্রান্তসীমায়) ব্যবহারকারী একটি সিস্টেম ২০০ ন্যানোমিটার আলোর (পূর্ণ অতিবেগুনি রশ্মিতে) অনুরূপ রেজোলিউশন অর্জন করতে পারে, এবং একই সাথে নমুনার উপর সঞ্চিত শক্তিকে অনেক বেশি নিয়ন্ত্রণযোগ্য মাত্রায় রাখতে পারে।

শিক্ষক লিহং ওয়াংক্যালটেকের মেডিকেল ইঞ্জিনিয়ারিং ও ইলেকট্রিক্যাল ইঞ্জিনিয়ারিং বিভাগের অধ্যাপক এবং এই গবেষণাপত্রের প্রধান লেখক বিষয়টি খুব সুস্পষ্টভাবে তুলে ধরেছেন: কোষগুলো অতিবেগুনি আলোর সাথে মানিয়ে চলতে পারে না, কিন্তু যদি আমরা ৪০০ ন্যানোমিটার আলো দিয়ে আলোকিত করে ২০০ ন্যানোমিটারের মতো একই রেজোলিউশন প্রভাব অর্জন করতে পারি, কোষগুলো “সন্তুষ্ট” এবং মাইক্রোস্কোপে ক্রমাগত আরও বিশদ তথ্য পাওয়া যাচ্ছে।.

এই পদ্ধতিটি এক ঝটকায় চিরায়ত উভয়সঙ্কটের সমাধান করে: খুব ছোট কাঠামো দেখতে অত্যন্ত শক্তিশালী আলো ব্যবহার করার প্রয়োজন নেই।কোয়ান্টাম এনট্যাঙ্গলমেন্ট এবং জোড়া ফোটনের মিল পরিমাপের পদ্ধতিকে কাজে লাগিয়ে, কিউএমসি সিস্টেমটি জীবন্ত নমুনার সম্ভাব্য ক্ষতি না বাড়িয়েই মাইক্রোস্কোপকে প্রতিটি ফোটন থেকে আরও বেশি সুবিধা পেতে সক্ষম করে।

প্রচলিত মাইক্রোস্কোপের বিপরীতে, যা কেবল ব্যবহৃত আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্যের অর্ধেক আকারের বস্তুর বিশদ বিবরণ ধারণ করে, কিউএমসি এটি কম ক্ষতিকর আলো ব্যবহার করে আপনাকে অনেক ছোট কাঠামো দেখতে সাহায্য করে।এবং অধিকন্তু, এটি এমন একটি পরীক্ষামূলক বিন্যাসের মাধ্যমে তা করে যা, এর নির্মাতাদের মতে, ইতিমধ্যেই একটি কার্যকর ব্যবস্থা এবং কেবল একটি এককালীন পরীক্ষাগার প্রদর্শনী নয়।

ধাপে ধাপে QMC কীভাবে কাজ করে

এই ধারণাটিকে বাস্তবে রূপ দিতে, ক্যালটেক দলটি একটি নির্মাণ করেছিল আলোকীয় যন্ত্র যেখানে একটি লেজার একটি বিশেষ স্ফটিকের উপর আলো ফেলে।এই ক্রিস্টালটি আপতিত ফোটনের একটি ক্ষুদ্র অংশকে এনট্যাঙ্গলড জোড় বা বাইফোটনে রূপান্তরিত করার জন্য ডিজাইন করা হয়েছে। আপাতত, এর কার্যকারিতা খুবই কম (প্রতি দশ লক্ষ ফোটনে প্রায় একটি), কিন্তু গবেষকরা ইতিমধ্যেই এই হার উন্নত করার জন্য কাজ করছেন।

একবার উৎপন্ন হলে, এই বাইফোটনগুলি তারা আয়না, লেন্স ও প্রিজম ব্যবহার করে পৃথক করে।ফলে এদের গঠনকারী দুটি ফোটন ভিন্ন পথ অনুসরণ করে। এদের মধ্যে একটি আমরা যে নমুনাটি পর্যবেক্ষণ করতে চাই তার মধ্য দিয়ে যায় (একে সংকেত ফোটন বলা হয়) এবং অন্যটি নমুনার মধ্য দিয়ে যায় না (এটি নিষ্ক্রিয় বা নিষ্ফল ফোটন)।

এরপর উভয় ফোটন সিস্টেমের অপটিক্সের মধ্য দিয়ে তাদের পথ চলতে থাকে যতক্ষণ না তারা কম্পিউটারের সাথে সংযুক্ত একটি ডিটেক্টরে পৌঁছায়। কৌশলটি হলো যে কম্পিউটারটি এটি কেবল স্বতন্ত্র ফোটন গণনা করে না, বরং দুটি জড়িত ফোটনের মধ্যেকার কাকতালীয় ঘটনাগুলো গণনা করে।এই তথ্যের ভিত্তিতে, জোড়াটির জড়িত প্রকৃতির সুবিধা নিয়ে নমুনাটির প্রতিবিম্ব পুনর্গঠন করা হয়।

আশ্চর্যের বিষয় হলো যে, কোষ বা অন্য কোনো ধরনের বস্তু অতিক্রম করার পর আলাদা পথ নিলেও, ফোটনগুলো তাদের এনট্যাঙ্গলমেন্ট বজায় রাখে এবং বাইফোটনের মতো আচরণ করে। যখন সেগুলোকে শনাক্ত করা হচ্ছে। সিস্টেমটি এই কোয়ান্টাম সুসংগতিকে কাজে লাগায়, যাতে পুরো বিষয়টি এমনভাবে আচরণ করে যেন এর তরঙ্গদৈর্ঘ্য অর্ধেক।

যদিও অন্যান্য দল ইতিমধ্যেই বাইফোটন ব্যবহার করে ছবি তুলতে সফল হয়েছিল, ওয়াং-এর দল দাবি করছে যে এটিই প্রথম। আণুবীক্ষণিক বিশদ বিন্যাস যা একটি ব্যবহারিক এবং পুনরুৎপাদনযোগ্য সিস্টেম প্রদর্শন করেতারা প্রক্রিয়াটি বর্ণনা করার জন্য একটি সুসংহত তত্ত্ব, জট পরিমাপের একটি দ্রুত ও নির্ভুল পদ্ধতি তৈরি করেছেন এবং বাস্তব জৈবিক নমুনার উপর এর উপযোগিতা প্রদর্শন করেছেন।

জীবন্ত কোষগুলো আরও বিস্তারিতভাবে এবং কম ক্ষতিতে দেখুন

ক্যালটেক দলটি তাদের কোয়ান্টাম মাইক্রোস্কোপ ব্যবহার করে ক্যান্সার কোষের ছবি সংগ্রহ করুনউন্নত রেজোলিউশনের কল্যাণে, তাঁরা বিভিন্ন অভ্যন্তরীণ কাঠামো স্পষ্টভাবে শনাক্ত করতে সক্ষম হয়েছিলেন, যা তুলনীয় আলো ও ডোজ ব্যবহার করেও একটি চিরায়ত অপটিক্যাল মাইক্রোস্কোপের পক্ষে স্পষ্ট করে দেখা সম্ভব ছিল না।

সবচেয়ে আশ্চর্যের বিষয় হ'ল এটি প্রক্রিয়া চলাকালীন কোষগুলো ক্ষতিগ্রস্ত বা ধ্বংস হয়নি।কারণ ব্যবহৃত বিকিরণটি খুব বেশি শক্তিশালী ছিল না। এর জাদুটা নিহিত আছে বাইফোটন দ্বারা বাহিত কোয়ান্টাম তথ্যকে কাজে লাগানোর পদ্ধতিতে, ক্রমবর্ধমান আক্রমণাত্মক ফোটন দিয়ে কোষটিকে "বোমাবর্ষণ" করার মধ্যে নয়।

এই কৌশলটিকে একটি অত্যন্ত সম্ভাবনাময় অগ্রগতি হিসেবে বিবেচনা করা হয় মেডিকেল ইমেজিং এবং বায়োমেডিকেল গবেষণাজীবন্ত কোষ, কলা, বা এমনকি সংবেদনশীল অণুজীবকে ধ্বংস না করে কোয়ান্টাম পদার্থবিজ্ঞানের নির্ধারিত সীমার (তথাকথিত হাইজেনবার্গ সীমা) কাছাকাছি সূক্ষ্মতায় অধ্যয়ন করার ক্ষমতা প্রাথমিক রোগ নির্ণয়, চিকিৎসার উন্নততর পর্যবেক্ষণ এবং গুরুত্বপূর্ণ জৈবিক প্রক্রিয়াগুলি সম্পর্কে আরও গভীর উপলব্ধির পথ খুলে দেয়।

ভবিষ্যতের দিকে তাকিয়ে গবেষকরা এই সম্ভাবনাটি বিবেচনা করছেন যে দুইটির বেশি জটবদ্ধ ফোটন ব্যবহার করুন রেজোলিউশনকে আরও পরিমার্জিত করতে এবং পরিবেশের সাথে ফোটনের মিথস্ক্রিয়াজনিত ব্যাকগ্রাউন্ড নয়েজ কমানোর জন্য প্রযুক্তিটিকে অপ্টিমাইজ করতে। প্রতিটি উন্নতি প্রাপ্ত ছবিগুলোর গুণমান এবং নির্ভুলতা আরও বাড়িয়ে দেবে।

এর পাশাপাশি, এই উন্নয়নটি বিভিন্ন ক্ষেত্রে প্রয়োগের জন্য ভিত্তি স্থাপন করে, যেমন— কোয়ান্টাম কম্পিউটিং, ক্রিপ্টোগ্রাফি, বা নতুন উপকরণের নকশাযেখানে কোনো ক্ষতি না করে ন্যানোস্কেলে কাঠামোর বৈশিষ্ট্য নির্ণয় করার ক্ষমতা অমূল্য।

কোয়ান্টাম গ্যাস মাইক্রোস্কোপ: পরমাণু হিমায়িত করে এক এক করে পর্যবেক্ষণ

এদিকে, ইউরোপে আরেকটি পরিপূরক ক্ষেত্রে অগ্রগতি সাধিত হয়েছে: অতিশীতল গ্যাসের কোয়ান্টাম মাইক্রোস্কোপ. একটি প্রতীকী উদাহরণ হল QUIONE, Castelldefels-এর Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) দ্বারা তৈরি করা হয়েছে, যা PRX কোয়ান্টাম ম্যাগাজিনে উপস্থাপিত হয়েছে।

QUIONE একটি হিসেবে কাজ করে “কোয়ান্টাম সিমুলেটর” যা স্ট্রনশিয়াম পরমাণুগুলোকে পরম শূন্যের কাছাকাছি তাপমাত্রায় ঠান্ডা করে।এটি সেগুলোকে একটি আলোকীয় নেটওয়ার্কে সংগঠিত করে এবং পৃথকভাবে পর্যবেক্ষণের সুযোগ করে দেয়, অনেকটা যেন কার্টনের গর্তে রাখা ডিম, কিন্তু পারমাণবিক স্কেলে।

ঐতিহ্যগতভাবে, কোয়ান্টাম গ্যাস মাইক্রোস্কোপগুলি ভিত্তি করে তৈরি হয়েছিল লিথিয়াম বা পটাসিয়ামের মতো ক্ষারীয় পরমাণুযেগুলো আলোকীয়ভাবে পরিচালনা করা সহজতর। স্ট্রনশিয়ামকে—একটি ক্ষারীয় মৃত্তিকা পরমাণু যার বর্ণালী আরও জটিল—কোয়ান্টাম জগতে নিয়ে আসা আরও অনেক অভিনব পদার্থ এবং পদার্থের দশাকে অনুকরণ করার পথ খুলে দেয়।

পদ্ধতিটি নিম্নরূপ: কয়েক মিলিসেকেন্ডের জন্য স্ট্রনশিয়াম গ্যাসের তাপমাত্রা অত্যন্ত কমিয়ে আনা হয়, যার ফলে পরমাণুগুলো প্রায় সম্পূর্ণরূপে গতি কমে যায় এবং একটি অপটিক্যাল নেটে আটকা পড়ে।লেজার দ্বারা উৎপন্ন এক ধরনের আলোর 'গ্রিড'। গ্রিডের প্রতিটি স্থান একটি ছোট শক্তি কূপের মতো আচরণ করে, যেখানে উচ্চ সম্ভাবনায় একটি পরমাণু অবস্থান করবে।

এই বিন্যাসের ফলে দলটি সক্ষম হয়েছে পরমাণু-পরমাণু চিত্র সংগ্রহ করুন এবং সুপারফ্লুইডিটির মতো ঘটনা অধ্যয়ন করা, যেখানে স্ট্রনশিয়াম গ্যাস সান্দ্রতা ছাড়াই প্রবাহিত হয়। অধিকন্তু, পরমাণুগুলির গতিবিদ্যা, যা চিরায়ত বাধা অতিক্রম করার প্রয়োজন ছাড়াই ল্যাটিসের এক স্থান থেকে অন্য স্থানে "লাফিয়ে" যায়, তা সরাসরি বিখ্যাত তত্ত্বটিকে চিত্রিত করে। কোয়ান্টাম টানেলিং প্রভাব.

অ্যানালগ কোয়ান্টাম প্রসেসর এবং নতুন উপকরণ পরীক্ষাগার হিসেবে QUIONE

QUIONE শুধু একটি অণুবীক্ষণ যন্ত্র নয়: এটি আদতে, একটি অ্যানালগ কোয়ান্টাম প্রসেসরঅপটিক্যাল ল্যাটিসের আকৃতি, লেজারের তীব্রতা, পরমাণুগুলোর মধ্যকার মিথস্ক্রিয়া এবং অন্যান্য প্যারামিটার সমন্বয় করে গবেষকরা সিস্টেমটিকে “প্রোগ্রাম” করতে পারেন। জটিল বাস্তব পদার্থের আচরণ অনুকরণ করাকিন্তু একটি অত্যন্ত নিয়ন্ত্রিত পরিবেশে।

এর মাধ্যমে আমরা কঠিন প্রশ্নের সমাধান করতে পারি, উদাহরণস্বরূপ, কেন কিছু পদার্থ কোনো ক্ষতি ছাড়াই বিদ্যুৎ পরিবহন করে? তুলনামূলকভাবে উচ্চ তাপমাত্রায় অতিপরিবাহিতা, অথবা ইলেকট্রনগুলো কীভাবে টপোলজিক্যাল দশায় বিন্যস্ত হয়, যা এখনও ভালোভাবে বোঝা যায়নি।

এই ধরনের কোয়ান্টাম মাইক্রোস্কোপ ব্যবহার করে এত সূক্ষ্মভাবে স্ট্রনশিয়াম গ্যাস অধ্যয়নের সম্ভাবনাই QUIONE-কে বিশেষ করে তোলে। ভবিষ্যৎ কোয়ান্টাম কম্পিউটার তৈরির জন্য একটি কৌশলগত হাতিয়ার এবং সংশ্লিষ্ট প্রযুক্তিসমূহ। অতি-সঠিক পারমাণবিক ঘড়ি এবং শক্তিশালী কোয়ান্টাম প্রসেসর তৈরির জন্য স্ট্রনশিয়াম বিশেষভাবে আকর্ষণীয়, তাই এমন একটি যন্ত্র থাকা যা একে একক পরমাণুর স্কেলে নিয়ন্ত্রণ ও দৃশ্যমান করার সুযোগ দেয়, তা এক সত্যিকারের বৈজ্ঞানিক বিলাসিতা।

লেটিসিয়া টারুয়েল এবং তার দলের মতো গবেষকরা উল্লেখ করেছেন যে এই ধরনের কোয়ান্টাম সিমুলেশন অত্যন্ত জটিল আণুবীক্ষণিক সিস্টেমের রহস্য উন্মোচন করতে সাহায্য করবে।উন্নত সুপারকন্ডাক্টর থেকে টপোলজিক্যাল ইনসুলেটর পর্যন্ত, প্রয়োজন অনুযায়ী বৈশিষ্ট্যসম্পন্ন নতুন উপাদান ডিজাইন করার উপায় সম্পর্কে সূত্র প্রদান করে।

এইভাবে, আমরা এমন এক ধরনের কোয়ান্টাম মাইক্রোস্কোপের সন্ধান পেয়েছি যা কেবল বিশ্বকে দেখায়ই না, বরং একে আরও ভালোভাবে বোঝার জন্য ক্ষুদ্রাকারে পুনর্নির্মাণ করে—যা অতি সম্প্রতি পর্যন্ত কেবল তাত্ত্বিক মডেলের জন্যই সংরক্ষিত বলে মনে হতো।

অত্যন্ত কম তীব্রতার কোয়ান্টাম আলো: ইউরোপীয় প্রকল্প Q-MIC

আরেকটি জোরালো বাজি কোয়ান্টাম মাইক্রোস্কোপি ইউরোপীয় প্রকল্প Q-MIC থেকে এসেছে।এই প্রকল্পটি, যা মূলত আইসিএফও (ICFO) এবং ইতালি ও জার্মানির সহযোগীদের দ্বারা পরিচালিত, ২০১৮ সাল থেকে এমন একটি মাইক্রোস্কোপ তৈরির লক্ষ্যে চলমান রয়েছে যা অত্যন্ত কম-তীব্রতার কোয়ান্টাম আলো ব্যবহার করে প্রচলিত মাইক্রোস্কোপের চেয়ে প্রশস্ত ক্ষেত্র, উচ্চ সংবেদনশীলতা এবং উন্নততর রেজোলিউশনযুক্ত ছবি তুলতে সক্ষম।

Q-MIC ডিভাইসটি স্বতন্ত্র কারণ এটি বিশেষভাবে ডিজাইন করা হয়েছে জটবদ্ধ ফোটনের জোড়া দিয়ে নমুনাটিকে আলোকিত করুনবহু বিশৃঙ্খল ফোটন দিয়ে গঠিত প্রচলিত আলোর পরিবর্তে, প্রতিটি ফোটন জোড়া অত্যন্ত সুসমন্বিত পরিমাণ তথ্য বহন করে, যার ফলে কম মোট বিকিরণের মাধ্যমেই আরও বিশদ তথ্য আহরণ করা সম্ভব হয়।

যেসব ক্ষেত্রে নমুনা অত্যন্ত সংবেদনশীল—যেমন, নির্দিষ্ট প্রোটিন, ভাইরাস, অণু বা জীবন্ত টিস্যু—সেখানে কম তীব্রতার আলো যা পরীক্ষাটি নষ্ট করবে না এটা অপরিহার্য। বরাবরের মতোই সমস্যাটা হলো যে, তীব্রতা কমালে ছবিতে আপেক্ষিক নয়েজ বেড়ে যায়, যা সাধারণত ফলাফলকে ঝাপসা করে দেয়।

Q-MIC এই বাধা অতিক্রম করে ব্যবহার করে জড়িত ফোটন দ্বারা উৎপন্ন ব্যতিচার প্যাটার্নপ্রতিটি পিক্সেলে কতগুলো ফোটন পৌঁছাচ্ছে তা কেবল রেকর্ড করার পরিবর্তে, ক্যামেরাটি অপটিক্যাল সিস্টেমের মধ্য দিয়ে যাওয়া ফোটনের জোড়া শনাক্ত করে এবং সেগুলোর নমুনা সংগ্রহ করে, এবং সেই তথ্য উন্নত গাণিতিক অ্যালগরিদম ব্যবহার করে ছবিটি পুনর্গঠন করতে ব্যবহৃত হয়।

এই পদ্ধতির কল্যাণে, গবেষকরা দেখিয়েছেন যে এটি সম্ভব। প্রচলিত পদ্ধতির তুলনায় নয়েজ কমায় এবং পরিমাপের সংবেদনশীলতা ২৫%-এর বেশি বাড়ায়।আলোর মাত্রা স্বাভাবিক মাত্রার চেয়ে অনেক কম রেখে।

ব্যতিচার, সাভার্ট প্লেট এবং চিত্র পুনর্গঠন

Q-MIC-এর অপটিক্যাল মূল অংশে এক সেট অন্তর্ভুক্ত রয়েছে। সাভার্ট প্লেটদ্বিপ্রতিসরী স্ফটিক যা একটি আলোক রশ্মিকে দুটি ভিন্ন মেরুকরণের (অনুভূমিক এবং উল্লম্ব) রশ্মিতে বিভক্ত করতে সক্ষম, যে রশ্মিগুলো সামান্য ভিন্ন পথে ভ্রমণ করে, এবং ব্যবহৃত উপাদানের অনুরূপ নির্দেশক উপাদান ফাইবার অপটিক সিস্টেম.

যখন জটবদ্ধ ফোটনের জোড়া এই সিস্টেমের মধ্য দিয়ে যায়, তখন সাভার্ট প্লেটগুলি তারা তাদের পথ আলাদা করে নমুনার দিকে পরিচালিত করে।নমুনাটি যদি পুরোপুরি সমতল এবং সমসত্ত্ব হয়, তবে ফোটনগুলোর গতিপথ প্রায় অভিন্ন থাকে। কিন্তু এর পুরুত্ব, প্রতিসরাঙ্ক বা অন্যান্য বৈশিষ্ট্যে ভিন্নতা থাকলে দশা পার্থক্য সৃষ্টি হয়, যা রশ্মিগুলোর পুনঃসংযুক্তির ফলে জটিল ব্যতিচার নকশা তৈরি করে।

মাইক্রোস্কোপ ক্যামেরা প্রচলিত পদ্ধতিতে আলোক তীব্রতার মাত্রা পরিমাপ করে না, বরং ফোটন আগমনের সমাপতন রেকর্ড করে দৃশ্যক্ষেত্রের বিভিন্ন বিন্দুতে। এই প্রক্রিয়াটি বহুবার পুনরাবৃত্তি করার মাধ্যমে একটি দ্বি-ফোটন ব্যতিচার প্যাটার্ন জমা হয়, যা নমুনাটির সূক্ষ্ম গঠন সম্পর্কে তথ্য ধারণ করে।

গাণিতিক এবং সংকেত প্রক্রিয়াকরণ কৌশলের উপর ভিত্তি করে পুনর্গঠন অ্যালগরিদমের সাহায্যে বিজ্ঞানীরা তারা সেই নকশাগুলোকে বিস্তারিত চিত্রে রূপান্তরিত করে।পয়েন্ট-টু-পয়েন্ট স্ক্যানিং সিস্টেমের প্রয়োজন ছাড়াই। এর ফলে উচ্চ সংবেদনশীলতা এবং ভালো রেজোলিউশন সহ তুলনামূলকভাবে বিস্তৃত ক্ষেত্র পর্যবেক্ষণ করা যায়, যা পৃষ্ঠতল এবং বিস্তৃত নমুনা বিশ্লেষণের জন্য খুবই উপযোগী।

উন্নতি যাচাই করার জন্য, তারা একটি প্রোটিন এ-এর আদর্শ নমুনা নমুনাটিকে সমদূরত্বে কোষসহ একটি কাঁচের স্লাইডে রাখা হয়েছিল। এটিকে প্রথমে চিরায়ত আলো এবং তারপর কোয়ান্টাম আলো দিয়ে আলোকিত করা হয়েছিল। উভয় ক্ষেত্রেই ব্যতিচার প্যাটার্ন পাওয়া গিয়েছিল এবং ছবিগুলো পুনর্গঠন করা হয়েছিল। ফলাফলটি স্পষ্ট ছিল: কোয়ান্টাম আলোর সাহায্যে ছবিটি অনেক বেশি মসৃণ, কম নয়েজযুক্ত এবং গঠনগুলোর কিনারা আরও সুস্পষ্ট ছিল।

Q-MIC-এর প্রয়োগ: নমনীয় উপকরণ থেকে ভাইরাস পর্যন্ত

Q-MIC-এর ফলাফল, যা প্রকাশিত হয়েছে বিজ্ঞান অগ্রগতিতারা এটা স্পষ্ট করে দেন যে এই কোয়ান্টাম আলোকসজ্জা কৌশলটি কেবল একটি তাত্ত্বিক কৌতূহল নয়। এর প্রত্যাশিত প্রয়োগক্ষেত্রগুলো বিভিন্ন ধরনের... পদার্থ বিজ্ঞান, নমনীয় ইলেকট্রনিক্সের জন্য স্বচ্ছ পৃষ্ঠের বিশ্লেষণ অথবা সূক্ষ্ম প্রলেপের পরিদর্শন।

তাছাড়া, তাদের সাথে কাজ করার ক্ষমতা ক্ষুদ্র আলোর ডোজ এটি অতিসংবেদনশীল অণুজীব, যেমন নির্দিষ্ট কিছু ভাইরাস, এবং তীব্র আলোতে সহজে ক্ষয়প্রাপ্ত হয় এমন অণু অধ্যয়নের জন্য এটিকে একটি আদর্শ মাধ্যম করে তোলে। এর প্রয়োগ আরও বিভিন্ন ক্ষেত্রে পরিকল্পিত। কোয়ান্টাম ক্রিপ্টোগ্রাফি এবং নিরাপদ যোগাযোগযেখানে জটবদ্ধ ফোটনগুলোর সূক্ষ্ম নিয়ন্ত্রণই মূল বিষয়।

Q-MIC মাইক্রোস্কোপটি দেখায় যে, এনট্যাঙ্গলমেন্টকে যথাযথভাবে কাজে লাগিয়ে আমরা পারি প্রতিটি ফোটন দ্বারা আহরিত তথ্যের গুণমান উন্নত করুনআলোর মাত্রা না বাড়িয়েই শব্দ কমানো এবং নির্ভুলতা বৃদ্ধি করা।

ক্যালটেকের QMC-ধরণের কৌশলগুলির সমান্তরালে, Q-MIC এই ধারণাটিকে আরও শক্তিশালী করে যে মাইক্রোস্কোপির পরবর্তী মহান বিপ্লব কোয়ান্টাম অপটিক্সের মধ্যেই নিহিত।শুধু বড় লক্ষ্যবস্তু বা আরও শক্তিশালী লেজার তৈরি করে নয়।

৪ডি কোয়ান্টাম ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপি: ফোটোনিক ক্রিস্টালে আবদ্ধ আলো দেখা

ইমেজিং-এর কোয়ান্টাম বিপ্লব শুধু দৃশ্যমান আলো বা অতিশীতল গ্যাসের মধ্যেই সীমাবদ্ধ নয়। ইসরায়েলে, গবেষকরা... টেকনিয়ন – ইসরায়েল ইনস্টিটিউট অফ টেকনোলজি তারা একটি তৈরি করেছে অতি দ্রুত ৪ডি ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপ যা ফোটোনিক ক্রিস্টালের অভ্যন্তরে আটকে থাকা আলোর প্রবাহকে সরাসরি পর্যবেক্ষণের সুযোগ করে দেয়, যা এখন পর্যন্ত শুধুমাত্র কম্পিউটার সিমুলেশনের মাধ্যমেই অধ্যয়ন করা যেত।

এই সিস্টেমটি, যা প্রথম নেচার জার্নালে বর্ণিত হয়েছিল, অন্যতম হিসেবে বিবেচিত হয় বিশ্বের সবচেয়ে উন্নত নিয়ার-ফিল্ড অপটিক্যাল মাইক্রোস্কোপযদিও এর প্রযুক্তিগত মূল ভিত্তি হলো অনন্য ক্ষমতাসম্পন্ন একটি অতি দ্রুতগামী ট্রান্সমিশন ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপ।

অধ্যাপকের নেতৃত্বে দলটি ইডো কামিনার একটি পরীক্ষামূলক প্ল্যাটফর্ম তৈরি করা হয়েছে যেখানে অতি সংক্ষিপ্ত আলোক স্পন্দন (যা ১০০ ফেমটোসেকেন্ডেরও কম সময়ের) নমুনাটিকে উত্তেজিত করে। ৪০ kV থেকে ২০০ kV ভোল্টেজে ত্বরান্বিত ইলেকট্রনের স্পন্দন এর ক্ষণস্থায়ী অবস্থা ধারণ করার জন্য এটিকে পরীক্ষা করে। অন্য কথায়, অবিশ্বাস্যভাবে স্বল্প সময়ের ব্যবধানে ইলেকট্রন দ্বারা নমুনাটিকে "আলোকিত" এবং "ফটোগ্রাফ" করা হয়।

এই কনফিগারেশনের মাধ্যমে, এটি সম্ভব ন্যানোম্যাটেরিয়ালে (যেমন ফোটোনিক ক্রিস্টাল) আবদ্ধ আলো এবং মুক্ত ইলেকট্রনের মধ্যেকার মিথস্ক্রিয়ার মানচিত্র তৈরি করাঅভূতপূর্ব স্থানিক ও কালিক রেজোলিউশনে আলোক ক্ষেত্রের গতিপ্রকৃতি সংক্রান্ত তথ্য সংগ্রহ করা।

এর বাস্তব ফল হলো এই যে, প্রথমবারের মতো বিজ্ঞানীরা পারেন ফোটোনিক কাঠামোতে আলো আবদ্ধ ও পরিচালিত হলে তার আচরণ সরাসরি পর্যবেক্ষণ করুন।শুধুমাত্র মডেল এবং সিমুলেশন থেকে অনুমান করার পরিবর্তে, এটি সর্বোত্তম বৈশিষ্ট্যসম্পন্ন কোয়ান্টাম পদার্থ এবং ফোটোনিক ডিভাইস ডিজাইন করার জন্য একটি নতুন ক্ষেত্র উন্মোচন করে, উদাহরণস্বরূপ, অধিকতর স্থিতিশীলতার সাথে কোয়ান্টাম বিট (কিউবিট) সংরক্ষণ করার জন্য।

মুক্ত ইলেকট্রন তরঙ্গ প্যাকেট এবং নতুন কোয়ান্টাম ঘটনা

এই অগ্রগতির মূলে রয়েছে পদার্থবিদ্যা মুক্ত ইলেকট্রন এবং আলোর মধ্যে অতি দ্রুত মিথস্ক্রিয়াঐতিহ্যগতভাবে, কোয়ান্টাম ইলেকট্রোডাইনামিক্স (কিউইডি) অধ্যয়ন করে আসছে যে কীভাবে কোয়ান্টাম পদার্থ—যেমন পরমাণু, কোয়ান্টাম ডট, সুপারকন্ডাক্টিং সার্কিট ইত্যাদি—ক্যাভিটির মধ্যে আবদ্ধ আলোক মোডগুলির সাথে মিথস্ক্রিয়া করে। এটি বর্তমানের অনেক কোয়ান্টাম প্রযুক্তির ধারণাগত ভিত্তি।

তবে, সেই সিস্টেমগুলিতে ইলেকট্রন আবদ্ধ এবং তাদের শক্তির স্তর, বর্ণালী পরিসর এবং নির্বাচনের নিয়ম অত্যন্ত সীমাবদ্ধ। সাম্প্রতিক অগ্রগতি অন্য একটি সত্তার উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করেছে: মুক্ত ইলেকট্রনের কোয়ান্টাম তরঙ্গ প্যাকেটআবদ্ধ ইলেকট্রনের বিপরীতে, এই প্যাকেটগুলি একটি বিস্তৃত শক্তি পরিসর জুড়ে থাকতে পারে এবং আরও অনেক বৈচিত্র্যময় মিথস্ক্রিয়া অন্বেষণ করতে পারে।

সমস্যাটি ছিল যে, ফোটোনিক ক্যাভিটিতে মুক্ত ইলেকট্রনের আকর্ষণীয় প্রভাবের একাধিক তাত্ত্বিক ভবিষ্যদ্বাণী থাকা সত্ত্বেও, কেউই এই ঘটনাগুলো নিশ্চিতভাবে পর্যবেক্ষণ করতে সক্ষম হননি।ইলেকট্রন এবং আবদ্ধ আলোর মধ্যে মিথস্ক্রিয়ার শক্তি ও স্থিতিকাল সংক্রান্ত মৌলিক সীমাবদ্ধতার কারণে।

টেকনিয়ন মাইক্রোস্কোপ এই বাধা অতিক্রম করে, যার ফলে ইলেকট্রনের কোয়ান্টাম প্রকৃতি ব্যবহার করে সরাসরি নিয়ার-ফিল্ড অপটিক্যাল ম্যাপ রেকর্ড করতেএকটি গুরুত্বপূর্ণ প্রমাণ হলো ইলেকট্রনীয় বর্ণালীতে রাবি-ধরণের দোলনের পর্যবেক্ষণ, যা এমন একটি আচরণ যা সম্পূর্ণরূপে চিরায়ত তত্ত্ব দ্বারা ব্যাখ্যা করা যায় না।

এই সিস্টেমের মাধ্যমে যে আরও কার্যকর ফোটন-মুক্ত ইলেকট্রন মিথস্ক্রিয়া অন্বেষণ করা হচ্ছে, তা নিম্নলিখিত দিকে পরিচালিত করতে পারে: সবল কাপলিং, বিশেষ কোয়ান্টাম অবস্থায় ফোটন সংশ্লেষণ, এবং অরৈখিক ঘটনা অভূতপূর্ব। এই সবকিছু ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপি (উদাহরণস্বরূপ, সংবেদনশীল পদার্থে স্বল্প মাত্রার ডোজ নিয়ে কাজ করার জন্য) এবং মুক্ত ইলেকট্রন পদার্থবিজ্ঞানের অন্যান্য ক্ষেত্র উভয়ের জন্যই উপকারী হবে।

তদুপরি, অর্জিত জ্ঞান সাহায্য করবে বর্তমান স্ক্রিনগুলিতে তীক্ষ্ণতা এবং রঙের বৈসাদৃশ্য উন্নত করুনযেমন QLED প্রযুক্তি (কোয়ান্টাম ডট)-ভিত্তিক, যা ইতিমধ্যেই আরও অভিন্ন ন্যানো/কোয়ান্টাম উপাদান ডিজাইন করছে, যা আরও উন্নততর ছবির স্পষ্টতা প্রদান করে।

সব মিলিয়ে, ক্যালটেকের কিউএমসি, ইউরোপের কিউ-এমআইসি, কিওনি এবং টেকনিয়নের ৪ডি মাইক্রোস্কোপের মতো এই গবেষণা ক্ষেত্রগুলো এমন একটি চিত্র তুলে ধরে যেখানে মাইক্রোস্কোপি একটি গভীর কোয়ান্টাম শাখায় পরিণত হয়।এমন মাত্রায় পদার্থ প্রদর্শন, নিয়ন্ত্রণ এবং এমনকি অনুকরণ করতে সক্ষম, যা পূর্বে কেবল একটি তাত্ত্বিক স্বপ্ন ছিল।

এই সমগ্র বাস্তুতন্ত্রের নতুন কোয়ান্টাম মাইক্রোস্কোপ এটি একটি যুগান্তকারী মুহূর্ত: বিষয়টি এখন আর কেবল ক্ষুদ্রতর কিছু দেখার মধ্যে সীমাবদ্ধ নেই, বরং এটি ভিন্নভাবে দেখার বিষয়ে পরিণত হয়েছে। এর জন্য এনট্যাঙ্গলমেন্ট, টানেলিং, কোহেরেন্স এবং বহু-কণা ব্যতিচারের মতো ঘটনাকে কাজে লাগিয়ে এমন সব তথ্য আহরণ করতে হবে, যা কয়েক দশক আগেও অকল্পনীয় ছিল। এই প্রযুক্তিগুলো পরিপক্ক হয়ে গবেষণাগারের বাইরে ছড়িয়ে পড়লে, এগুলো চিকিৎসা, ইলেকট্রনিক্স, পদার্থ বিজ্ঞান এবং আরও বিস্তৃতভাবে, বাস্তবতার গভীরতম স্তর সম্পর্কে আমাদের ধারণাকে আমূল পরিবর্তন করে দেবে বলে আশা করা হচ্ছে।