Un difetto quantico fluorescente brillante può essere uno strumento per aggiornare gli attuali sistemi di imaging biomedico, guardando anche i tumori più piccoli attraverso l'emissione del difetto. Credito:Belcher Lab
Ci si aspetta che l'informatica quantistica e la crittografia quantistica forniscano capacità molto più elevate rispetto alle loro controparti classiche. Per esempio, la potenza di calcolo in un sistema quantistico può crescere a un tasso esponenziale doppio invece di un tasso lineare classico a causa della diversa natura dell'unità di base, il qubit (bit quantistico). Le particelle impigliate abilitano i codici indistruttibili per comunicazioni sicure. L'importanza di queste tecnologie ha motivato il governo degli Stati Uniti a legiferare sul National Quantum Initiative Act, che autorizza $ 1,2 miliardi nei successivi cinque anni per lo sviluppo della scienza dell'informazione quantistica.
I singoli fotoni possono essere una fonte di qubit essenziale per queste applicazioni. Per ottenere un utilizzo pratico, i singoli fotoni dovrebbero essere nelle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni, che vanno da 1, 260-1, 675 nanometri, e il dispositivo dovrebbe essere funzionante a temperatura ambiente. Ad oggi, solo un singolo difetto quantistico fluorescente nei nanotubi di carbonio possiede entrambe le caratteristiche contemporaneamente. Però, la creazione precisa di questi singoli difetti è stata ostacolata da metodi di preparazione che richiedono reagenti speciali, sono difficili da controllare, procedi lentamente, generare difetti non emissivi, o sono difficili da scalare.
Ora, ricerca di Angela Belcher, capo del dipartimento di ingegneria biologica del MIT, Membro dell'Istituto Koch, e il professore di ingegneria biologica James Crafts, e postdoc Ching-Wei Lin, pubblicato online in Comunicazioni sulla natura , descrive una soluzione semplice per creare emettitori di fotoni singoli basati su nanotubi di carbonio, che sono noti come difetti quantistici fluorescenti.
"Ora possiamo sintetizzare rapidamente questi difetti quantistici fluorescenti in un minuto, semplicemente usando candeggina domestica e luce, " dice Lin. "E possiamo produrli facilmente su larga scala".
L'immersione di un nanotubo di carbonio nella candeggina produce un atomo di ossigeno (rosso) che reagisce con gli atomi di carbonio (nero) del nanotubo, formando un difetto quantico fluorescente quando irradiato con luce ultravioletta. Credito:Belcher Lab
Il laboratorio di Belcher ha dimostrato questo metodo incredibilmente semplice con difetti minimi non fluorescenti generati. I nanotubi di carbonio sono stati immersi nella candeggina e quindi irradiati con luce ultravioletta per meno di un minuto per creare i difetti quantici fluorescenti.
La disponibilità di difetti quantistici fluorescenti da questo metodo ha notevolmente ridotto la barriera per la traduzione di studi fondamentali in applicazioni pratiche. Nel frattempo, i nanotubi diventano ancora più luminosi dopo la creazione di questi difetti fluorescenti. Inoltre, l'eccitazione/emissione di questi nanotubi di carbonio difettosi viene spostata nella cosiddetta regione dell'infrarosso a onde corte (900-1, 600nm), che è una finestra ottica invisibile che ha lunghezze d'onda leggermente più lunghe del normale vicino infrarosso. Cosa c'è di più, le operazioni a lunghezze d'onda più lunghe con emettitori di difetti più luminosi consentono ai ricercatori di vedere attraverso il tessuto in modo più chiaro e profondo per l'imaging ottico. Di conseguenza, le sonde ottiche basate su nanotubi di carbonio difettose (di solito per coniugare i materiali mirati a questi nanotubi di carbonio difettosi) miglioreranno notevolmente le prestazioni di imaging, consentendo l'individuazione del cancro e trattamenti come la diagnosi precoce e la chirurgia guidata dalle immagini.
I tumori sono stati la seconda causa di morte negli Stati Uniti nel 2017. Estrapolato, questo arriva a circa 500, 000 persone che muoiono di cancro ogni anno. L'obiettivo del Belcher Lab è sviluppare sonde molto luminose che funzionino alla finestra ottica ottimale per osservare tumori molto piccoli, principalmente sui tumori ovarici e cerebrali. Se i medici possono rilevare la malattia prima, il tasso di sopravvivenza può essere notevolmente aumentato, secondo le statistiche. E ora il nuovo difetto quantistico fluorescente brillante può essere lo strumento giusto per aggiornare gli attuali sistemi di imaging, guardando anche i tumori più piccoli attraverso l'emissione del difetto.
"Abbiamo dimostrato una chiara visualizzazione della struttura vascolare e dei sistemi linfatici utilizzando una quantità di sonde 150 volte inferiore rispetto alla generazione precedente di sistemi di imaging, "Belcher dice, "Questo indica che abbiamo fatto un passo avanti verso la diagnosi precoce del cancro".
In collaborazione con i contributori della Rice University, i ricercatori possono identificare per la prima volta la distribuzione dei difetti quantistici nei nanotubi di carbonio utilizzando un nuovo metodo di spettroscopia chiamato spettroscopia di varianza. Questo metodo ha aiutato i ricercatori a monitorare la qualità dei nanotubi di carbonio contenuti nel difetto quantico ea trovare più facilmente i parametri sintetici corretti.
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
