L'ultimo progresso in un nuovo tipo di ottica mirato a migliorare la microscopia è iniziato con una partita a tennis tre anni fa.

Rilassarsi dopo una lunga giornata di ricerca nei rispettivi laboratori, Mooseok Jang (Ph.D. '16) e Yu Horie (che riceverà il dottorato a giugno 2018)—all'epoca, entrambi studenti laureati al Caltech si sono incontrati per una partita di tennis nei campi del Braun Athletic Center di Caltech.

Jang, uno studente di Changhuei Yang, il professore di ingegneria elettrica Thomas G. Myers, Bioingegneria, e ingegneria medica nella divisione di ingegneria e scienze applicate, stavano lavorando a una nascente tecnologia di microscopia che utilizza la diffusione della luce per aggirare il tradizionale compromesso tra risoluzione (la quantità di dettagli acquisiti) e campo visivo (l'area acquisita). La ricerca aveva incontrato un ostacolo:gli strumenti utilizzati per diffondere la luce erano difficili da prevedere e inaffidabili.

Durante la partita di tennis, Jang descrisse questo frustrante enigma a Horie, uno studente dell'Assistente Professore di Fisica Applicata e Scienza dei Materiali Andrei Faraon (BS '04). Nel laboratorio di Faraon, Horie ha lavorato su metasuperfici, che sono fogli di materiale le cui proprietà elettromagnetiche possono essere modificate su richiesta. Faraone, un ingegnere nanofotonico, crea metasuperfici costellate di perni in nanoscala realizzati in nitruro di silicio. Questi nanopost sono in grado di manipolare la luce con un alto grado di precisione, ad esempio, piegare la luce come fa una lente o codificare ologrammi su una superficie piana. Mentre la loro conversazione passava dai campi da tennis al caffè al Red Door Marketplace al Caltech, Jang e Horie si sono resi conto che le competenze dei rispettivi laboratori potevano essere combinate per creare un servizio più affidabile, materiale di diffusione della luce prevedibile.

"Mentre parlavamo, è diventato chiaro che avremmo potuto lavorare insieme per risolvere questo problema, " dice Jang.

La pratica della diffusione della luce per ottenere un'immagine ad alta risoluzione con un ampio campo visivo sembra controintuitiva, ma le dimostrazioni dell'ultimo decennio hanno dimostrato che può essere efficace. Mentre la luce diffusa non si propaga in modo semplice come la luce che passa attraverso una lente, può essere elaborato per la messa a fuoco ottica e l'imaging ad alta risoluzione utilizzando un dispositivo chiamato modulatore di luce spaziale (SLM), che raggruppa e dirige i componenti grezzi sparsi per consentire un controllo ottico ad alta fedeltà. Il risultato è un'immagine con un numero maggiore di punti focali risolvibili distribuiti su un campo visivo più ampio, in altre parole, un più chiaro, immagine più ampia.

Il problema, però, è che questa strategia è difficile da attuare praticamente, fino all'inutilità. Per dare un senso alla luce confusa, l'SLM deve sapere esattamente come è stato influenzato dal mezzo di dispersione. Diversi tipi di supporti di dispersione attualmente in uso, compreso il nastro adesivo, sono pieni di particelle sospese posizionate casualmente. Quando un pezzo di nastro adesivo viene posizionato sul percorso di un raggio di luce, quelle particelle fanno un ottimo lavoro nel diffondere la luce in modo casuale, che è l'obiettivo. Però, a causa della natura intrinsecamente casuale della loro posizione nel nastro, possono essere necessarie settimane prima che il processo di misurazione caratterizzi completamente la dispersione e consenta una messa a fuoco di alta qualità sul numero massimo di singoli punti in un'immagine. Peggio, le particelle sospese hanno la cattiva abitudine di migrare nel nastro, anche durante il processo di calibrazione, che ha il potenziale per rendere inutile il processo di misurazione faticosamente lungo quando è finito.

Con un mezzo di dispersione come il nastro adesivo, questa caratterizzazione ha tradizionalmente significato calibrare il mezzo proiettando immagini conosciute attraverso di esso usando l'SLM e poi lavorare a ritroso per determinare l'azione del mezzo sulla luce in entrata, quindi ripetere questo processo più e più volte per caratterizzare completamente il mezzo.

Però, utilizzando le metasuperfici generate nel laboratorio di Faraon, materiali che diffondono la luce in modi del tutto prevedibili, il tempo di calibrazione potrebbe scendere da ore a pochi minuti, convertire il lungo processo di misurazione in una semplice procedura di allineamento. Come bonus aggiuntivo, la ricalibrazione non sarebbe mai necessaria.

"Penso che il dottor Yang e i suoi colleghi all'inizio fossero scettici sul fatto che potessimo controllare la luce con tale precisione usando queste metasuperfici, " dice Horie. Alla fine furono convinti, però, e in un articolo pubblicato su Nature Photonics questo mese, i due laboratori dimostrano la produzione di un'immagine ad alta risoluzione, corrispondente a un'apertura numerica maggiore di 0,5, con un campo visivo relativamente ampio (8 millimetri). L'immagine aveva circa 2,2 miliardi di punti focali individuali. Per confronto, un tipico microscopio di alta qualità con la stessa apertura numerica produce un ordine di grandezza in meno di punti focali.

Con continui miglioramenti come questo, scienziati e patologi saranno in grado di scansionare campioni con microscopi più rapidamente e con una risoluzione più elevata.

"La speranza è che il nostro lavoro susciti ulteriore interesse in questo settore dell'ottica e renda questo tipo di microscopia e i suoi vantaggi praticabili, uso quotidiano, non solo come prova di concetto, " dice Josh Brake (MS '16), uno studente laureato nel laboratorio di Yang che continua a lavorare al progetto con Faraon e Yang.

Dalla loro rivoluzionaria collaborazione, Jang e Horie hanno terminato il loro lavoro di dottorato e si sono separati:Jang è tornato nella sua nativa Corea, dove continua le sue ricerche nell'ambito del servizio militare obbligatorio, mentre Horie ha preso un lavoro alla Apple. I due restano in contatto, anche se. Ed entrambi giocano ancora a tennis.

L'articolo su Nature Photonics è intitolato "Formazione del fronte d'onda con metasuperfici ingegnerizzate dal disordine".