Immagine microscopica dettagliata del segno UofG. Crediti:Professor Daniele Faccio
Una svolta nell'imaging quantistico potrebbe portare allo sviluppo di forme avanzate di microscopia da utilizzare nella ricerca medica e nella diagnostica.
Un team di fisici dell'Università di Glasgow e dell'Università Heriot-Watt ha trovato un nuovo modo per creare immagini microscopiche dettagliate in condizioni che causerebbero il guasto dei microscopi ottici convenzionali.
In un nuovo articolo pubblicato oggi sulla rivista Nature Photonics , il team descrive come hanno generato immagini trovando un nuovo modo per sfruttare un fenomeno quantistico noto come interferenza Hong-Ou-Mandel (HOM).
Prende il nome dai tre ricercatori che lo hanno dimostrato per la prima volta nel 1987, l'interferenza HOM si verifica quando i fotoni quantistici vengono fatti passare attraverso un divisore di raggio, un prisma di vetro che può trasformare un singolo raggio di luce in due fasci separati mentre lo attraversa. All'interno del prisma, i fotoni possono essere riflessi internamente o trasmessi verso l'esterno.
Quando i fotoni sono identici, usciranno sempre dallo splitter nella stessa direzione, un processo noto come "raggruppamento". Quando i fotoni entangled vengono misurati utilizzando fotorivelatori alla fine del percorso del fascio di luce diviso, un caratteristico "dip" nel grafico della probabilità di uscita della luce mostra che i fotoni raggruppati stanno raggiungendo solo un rivelatore e non l'altro.
Quel calo è l'effetto Hong-Ou-Mandel, che dimostra il perfetto entanglement di due fotoni. È stato utilizzato in applicazioni come le porte logiche nei computer quantistici, che richiedono un perfetto entanglement per funzionare.
È stato utilizzato anche nel rilevamento quantistico inserendo una superficie trasparente tra un'uscita del divisore di fascio e il fotorilevatore, introducendo un leggerissimo ritardo nel tempo necessario per il rilevamento dei fotoni. Un'analisi sofisticata del ritardo può aiutare a ricostruire dettagli come lo spessore delle superfici.
Ora, il team guidato da Glasgow lo ha applicato alla microscopia, utilizzando fotocamere sensibili a un singolo fotone per misurare i fotoni raggruppati e anti-raggruppati e risolvere le immagini microscopiche delle superfici.
Nel documento Nature Photonics, mostrano come hanno utilizzato la loro configurazione per creare immagini ad alta risoluzione di un acrilico trasparente spruzzato su un vetrino da microscopio con una profondità media di 13 micron e una serie di lettere che scrivono "UofG" incise su un pezzo di vetro a circa 8 micron di profondità.
I loro risultati dimostrano che è possibile creare immagini dettagliate e a basso rumore di superfici con una risoluzione compresa tra uno e 10 micron, producendo risultati simili a quelli di un microscopio convenzionale.
Il professor Daniele Faccio, della School of Physics and Astronomy dell'Università di Glasgow, è l'autore principale dell'articolo. Il professor Faccio ha dichiarato:"La microscopia convenzionale che utilizza la luce visibile ci ha insegnato molto sul mondo naturale e ci ha aiutato a realizzare un'incredibile gamma di progressi tecnologici.
"Tuttavia, ha alcune limitazioni che possono essere superate utilizzando la luce quantistica per sondare il regno microscopico. Nel bioimaging, dove le cellule possono essere quasi completamente trasparenti, essere in grado di esaminarne i minimi dettagli senza usare la luce convenzionale potrebbe essere un grande vantaggio:abbiamo scelto di visualizzare le superfici trasparenti in questa ricerca proprio per dimostrare tale potenziale.
"Allo stesso modo, i campioni nei microscopi convenzionali devono essere mantenuti perfettamente immobili:l'introduzione anche di una piccola vibrazione potrebbe introdurre un livello di sfocatura che rovinerebbe un'immagine. Tuttavia, l'interferenza HOM richiede solo la misurazione delle correlazioni fotoniche e c'è molto meno bisogno di stabilità.
"Ora che abbiamo stabilito che è possibile costruire questo tipo di microscopia quantistica sfruttando l'effetto Hong-Ou-Mandel, desideriamo migliorare la tecnica per rendere possibile la risoluzione di immagini su scala nanometrica. Richiederà un'ingegneria intelligente da raggiungere, ma la prospettiva di poter vedere chiaramente caratteristiche estremamente piccole come membrane cellulari o persino filamenti di DNA è entusiasmante. Non vediamo l'ora di continuare a perfezionare il nostro design". + Esplora ulteriormente
