Imaging microscopico quantistico utilizzando l'acqua come mezzo di segnale. L'oggetto dell'immagine è un pezzo di vetro a forma di triangolo mostrato nel riquadro di (a), in cui la barra della scala bianca è di 1 mm in direzione orizzontale. Più di 3 dB SNR quantistico, o contrasto dell'immagine, è chiaramente visibile in (b). Credito:Optica (2022). DOI:10.1364/OPTICA.467635
I ricercatori della Texas A&M University hanno realizzato ciò che una volta era considerato impossibile:hanno creato un dispositivo in grado di ridurre le fluttuazioni quantistiche della luce fino a un percorso diretto e lo hanno utilizzato per migliorare l'imaging del contrasto.
Questa "torcia elettrica" unica nel suo genere è stata costruita per aumentare il rapporto segnale-rumore presente nelle misurazioni spettroscopiche della microscopia Brillouin che registrano visivamente le proprietà meccaniche delle strutture all'interno di cellule e tessuti viventi. I risultati dei test rivelano che la nuova sorgente aumenta significativamente la chiarezza e l'accuratezza dell'immagine.
"Questa è una nuova strada nella ricerca", ha affermato il dottor Vladislav Yakovlev, professore universitario presso il Dipartimento di ingegneria biomedica del College of Engineering. "Stiamo progettando appositamente la luce in modo tale da migliorare il contrasto".
"Si tratta di una nuova pietra miliare nelle capacità della microscopia Brillouin e dell'imaging ampiamente utilizzate per i sistemi biologici", ha affermato il dott. Girish Agarwal, illustre professore universitario presso il Dipartimento di ingegneria biologica e agraria presso il College of Agriculture and Life Sciences. "E diventa parte di uno sforzo internazionale per sviluppare sensori quantistici per diverse applicazioni come l'imaging cerebrale, la mappatura della struttura di biomolecole e l'esplorazione di fonti sotterranee di petrolio e acqua ideando gravimetri supersensibili".
Un documento che descrive in dettaglio il lavoro è stato pubblicato su Optica .
Tutti gli strumenti in grado di catturare un'immagine o un'immagine catturano anche le distorsioni del segnale o il rumore durante il processo. Le distorsioni possono derivare da troppa o poca luce e persino da problemi di luminosità o colore dell'ambiente circostante il soggetto. La maggior parte del rumore passa inosservata fino a quando l'immagine non viene ingrandita abbastanza da consentire a occhio nudo di vedere chiaramente i pixel indesiderati.
La microscopia Brillouin è il limite fondamentale dell'imaging di misurazione su scala ridotta attualmente possibile. Il processo punta i laser su oggetti solidi e misura le onde oi segnali di vibrazione prodotti dagli atomi e dalle strutture in movimento all'interno del materiale visibilmente immobile.
Il rumore prodotto a questa scala può oscurare gravemente i segnali ricevuti, creando immagini confuse che sono difficili da interpretare. Attualmente, tutti i sistemi di spettroscopia laser come la microscopia Brillouin soffrono delle distorsioni del segnale naturali e tecniche associate alla luce laser, motivo per cui sono necessarie nuove sorgenti luminose.
Sei anni fa, Yakovlev ha tentato di migliorare il rapporto segnale-rumore nella microscopia Brillouin utilizzando sorgenti di luce intensa. Sfortunatamente, la sovraesposizione alla luce ha danneggiato le cellule che stava riprendendo.
Yakovlev ha cercato nella letteratura le risposte e ha trovato una teoria degli anni '80 che postulava che la luce quantistica potesse risolvere il problema, anche se non menzionava come. Agarwal, un esperto di fisica quantistica, ha escogitato una possibile via. Il dottor Tian Li, allora ricercatore post-dottorato dell'Università del Maryland, è stato assunto per creare il primo laboratorio di luce quantistica presso la Texas A&M. Lo spazio del laboratorio è stato fornito dal Dr. Marlan Scully, direttore dell'Istituto per la Scienza e l'Ingegneria Quantistica.
Il team ha affrontato due sfide significative:trovare finanziamenti per un'idea così folle e trovare studenti laureati e ricercatori post-dottorato che li aiutassero, quelli che erano disposti a cavalcare i campi della biologia e della fisica quantistica.
Dopo quasi due anni di vigorose esplorazioni, il dispositivo è diventato un aggeggio delle dimensioni di un tavolo di complesse configurazioni ottiche e strumenti di misurazione che hanno permesso ai ricercatori di regolare, dirigere ed efficientemente manipolare e rilevare la luce. Durante quel periodo, Li ha acquisito una migliore comprensione della biologia e Yakovlev e Agarwal hanno sviluppato un meccanismo per creare lo stato e la materia di luce adeguati necessari per la riduzione del rumore senza danneggiare le cellule vive.
Sebbene il dispositivo di spremitura della luce possa essere adottato per altre misurazioni spettroscopiche come lo scattering Raman, Yakovlev e Agarwal stanno migliorando le capacità della microscopia Brillouin di identificare i materiali viscosi o elastici nei sistemi biologici. Questi sistemi controllano le proprietà fisiche delle cellule e delle strutture cellulari e definiscono tutto, dallo sviluppo cellulare alla progressione del cancro.
Vedere i dettagli fa chiaramente un'enorme differenza nelle scoperte biomediche.
"Ogni volta che prendi un nuovo telescopio o qualcosa come l'astronomia delle onde gravitazionali, scopri nuove cose che non puoi assolutamente vedere senza di esso", ha detto Yakovlev. "La stessa cosa funziona in biologia. Prima dell'invenzione del microscopio, non sapevamo di essere costituiti da singole cellule".
Finora è stato migliorato solo il contrasto delle immagini spettroscopiche, ma Yakovlev e Agarwal stanno già lavorando sulla teoria di Agarwal per migliorare la risoluzione spaziale o i minimi dettagli possibili. E se il compito porta alla creazione di un altro dispositivo complesso che spinge i limiti della tecnologia attuale, i ricercatori sono pronti e disposti a farlo accadere.
"Adoro quei tipi di progetti in cui le persone ti dicono che qualcosa non funzionerà mai, e funziona", ha detto Yakovlev. "Amo le sfide". + Esplora ulteriormente
