Oamenii de știință au dezvoltat primul microscop capabil să creeze imagini „fantomă” tridimensionale ale unor structuri minuscule, folosind un fenomen bizar al mecanicii cuantice: inseparabilitatea fotonilor. Tehnica promite o nouă eră în imagistica materialelor sensibile la lumină.
Metoda, cunoscută sub numele de imagistică fantomă, funcționează similar unui joc de Bătălia navală. În loc să observe direct un obiect, cercetătorii folosesc perechi de fotoni legați cuantic pentru a elimina zgomotul de fond și a dezvălui conturul probei. Acest lucru este crucial pentru studierea mediilor microscopice, cum ar fi probele biologice, care pot fi ușor deteriorate de lumina intensă.
Până acum, această tehnică era limitată la imagini bidimensionale. Însă, într-un nou studiu publicat în jurnalul ştiinţific Optica, o echipă de la Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) a depășit această barieră.
„Este o nouă metodă de imagistică 3D care permite o mai mare sensibilitate și colectarea mai multor informații fără a fi necesară scanarea probei”, explică Audrey Eshun, cercetător la LLNL și autor al studiului, citată de phys.org.
Tehnologia se foloseşte de inseparabilitatea fotonilor
Tehnologia se bazează pe inseparabilitatea cuantică (entanglement). Un laser iluminează un cristal special, generând perechi de fotoni care sunt conectați intrinsec în spațiu și timp. Aceste perechi sunt apoi separate de o oglindă. Un foton, numit „semnal”, este direcționat către probă, în timp ce perechea sa, fotonul „idler” (inactiv), se îndreaptă către un detector.
Fotonii idler, care nu ating niciodată proba, formează o imagine uniformă, fără detalii, pe primul detector.
În același timp, fotonii semnal trec printr-o lentilă de microscop și lovesc proba – în acest caz, clustere de nanoparticule metalice înclinate la un unghi de 45 de grade. Când fotonii semnal lovesc proba, aceștia se împrăștie și sunt captați de o a doua lentilă, care îi direcționează către un al doilea detector. Această a doua cameră înregistrează o imagine standard a planului y-z al nanoparticulelor.
Cheia constă în sincronizare. Ambele detectoare înregistrează momentul exact al sosirii fiecărui foton. Comparând aceste marcaje temporale, cercetătorii pot potrivi fiecare foton idler cu perechea sa semnal care a interacționat cu proba. Prin eliminarea acestor fotoni corelați din imaginea idler uniformă, ei dezvăluie o imagine „fantomă” a planului x-y al probei.
„Imaginea standard are coordonate y și z și un timp pentru fiecare pixel, iar imaginea fantomă are coordonate x și y și un timp pentru fiecare pixel. Grupând toți fotonii care au aceeași marcă temporală, putem determina poziția x, y și z pentru fiecare foton. Aceste coordonate pot fi apoi trasate pentru a forma o imagine 3D.”, mai spune Eshun.
Spre deosebire de alte tehnici, imagistica fantomă cuantică 3D nu necesită scanarea probei, întregul proces având loc dintr-o singură mișcare și folosind intensități luminoase extrem de scăzute.
„Acest microscop este primul de acest fel. A mai existat o demonstrație de imagistică fantomă cuantică 3D, dar rezoluția era de aproximativ 3 centimetri. Aici vorbim de microni. Obținem trei dimensiuni spațiale de informații la scară micronică.”, adaugă Ted Laurence, co-autor al studiului.
Următorul pas pentru echipă este să folosească această metodă revoluționară pentru a urmări în timp real mișcarea celulelor vii.
