Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno iniziato a costruire un microscopio a raggi X con potenziamento quantistico presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). Questo rivoluzionario microscopio, supportato dal programma di ricerca biologica e ambientale presso l'Office of Science del DOE, consentirà ai ricercatori di visualizzare le biomolecole come mai prima d'ora.

NSLS-II è un DOE Office of Science User Facility in cui i ricercatori utilizzano potenti raggi X per "vedere" la struttura, chimico, e la composizione elettronica dei materiali fino alla scala atomica. La luce ultrabrillante della struttura consente già scoperte in biologia, aiutando i ricercatori a scoprire le strutture delle proteine ​​per informare la progettazione di farmaci per una varietà di malattie, per citare solo un esempio.

Ora, sfruttando le proprietà quantistiche dei raggi X, i ricercatori di NSLS-II saranno in grado di visualizzare biomolecole più sensibili senza sacrificare la risoluzione. Mentre l'elevata potenza di penetrazione dei raggi X consente una risoluzione superiore per gli studi di imaging, questa potente luce può anche danneggiare alcuni campioni biologici, come le cellule vegetali, virus, e batteri. Gli studi a raggi X a basso dosaggio possono preservare questi campioni, ma la risoluzione dell'immagine è ridotta.

"Se riusciamo a costruire un microscopio a raggi X con potenziamento quantistico, saremo in grado di visualizzare biomolecole con una risoluzione molto alta e una dose di raggi X molto bassa, " ha detto Sean McSweeney, responsabile del programma di biologia strutturale presso NSLS-II.

Il microscopio a raggi X potenziato quantisticamente presso NSLS-II raggiungerà questa straordinaria combinazione di capacità attraverso una tecnica sperimentale chiamata imaging fantasma. Rispetto alle tipiche tecniche di imaging a raggi X, che inviano un singolo fascio di fotoni (particelle di luce) attraverso un campione e su un rivelatore, l'imaging fantasma richiede che il raggio di raggi X sia diviso in due flussi di fotoni entangled, uno solo dei quali passa attraverso il campione, ma entrambi raccolgono informazioni.

"Un flusso passa attraverso il campione e viene raccolto da un rivelatore che registra i fotoni con una buona risoluzione temporale, mentre l'altro flusso di fotoni codifica la direzione esatta in cui si propagano i fotoni, " ha detto Andrei Fluerasu, scienziato capo della linea di luce presso la linea di luce Coherent Hard X-ray Scattering (CHX) di NSLS-II, dove sarà sviluppato il microscopio. "Sembra una magia. Ma con calcoli matematici, saremo in grado di correlare le informazioni provenienti dai due raggi".

Dividendo il raggio, il campione in esame viene esposto solo a una frazione della dose di raggi X. E poiché i fotoni che non passano attraverso il campione sono correlati con i fotoni che lo fanno, viene mantenuta la risoluzione di un fascio di raggi X a dose piena.

Le tecniche di imaging fantasma sono già state sviluppate con successo utilizzando fotoni di luce visibile, ma tradurre questa tecnica in luce a raggi X sarà un importante risultato scientifico.

Il microscopio a raggi X potenziato quantisticamente al Brookhaven Lab è in fase di sviluppo presso la linea di luce CHX di NSLS-II, che è stato scelto per la sua capacità di manipolare la coerenza della sorgente di raggi X, consentendo agli scienziati di mettere a punto gli esperimenti di imaging fantasma secondo necessità. La configurazione esistente di CHX era anche sufficientemente flessibile da accogliere l'aggiunta di attrezzature nuove e avanzate, come un divisore di raggio e un nuovo rivelatore. NSLS-II collaborerà con i fisici del Brookhaven Lab e della Stony Brook University sull'integrazione di questi strumenti complessi.

"Queste misurazioni richiederanno rilevatori di immagini con la migliore risoluzione temporale possibile, " ha detto il fisico di Brookhaven Andrei Nomerotski, "e questo è qualcosa che stiamo già usando per esperimenti di fisica delle alte energie, progetti di scienza dell'informazione quantistica come l'astrometria quantistica, e imaging ottico veloce."

Il team del progetto del microscopio a raggi X potenziato quantisticamente collaborerà anche con la Computational Science Initiative (CSI) di Brookhaven sull'analisi dei dati. Il dipartimento di biologia del laboratorio sta collaborando con NSLS-II per progettare esperimenti che sfruttino le capacità avanzate di questo microscopio.

"I nostri colleghi di biologia a Brookhaven sono entusiasti di portarci problemi complessi da risolvere utilizzando questo nuovo strumento, " ha detto McSweeney. "Con il coinvolgimento della fisica, Biologia, e CSI, abbiamo messo insieme un team eccellente per questo progetto innovativo".

"Il forte rapporto di lavoro tra Biologia e scienziati NSLS-II riunisce problemi scientifici del mondo reale e capacità avanzate, fornire soluzioni all'avanguardia per i problemi relativi alla missione DOE, " disse John Shanklin, Presidente del dipartimento di biologia del laboratorio. "È una situazione vantaggiosa per tutti".

Il team prevede di integrare gradualmente nuove funzionalità nella linea di luce CHX nei prossimi due o tre anni. Il progetto sarà completato dopo aver dimostrato l'imaging fantasma di oggetti di dimensioni micron con risoluzione inferiore a 10 nanometri, che è previsto per il 2023.