Secondo i ricercatori, le proprietà uniche della fisica quantistica potrebbero aiutare a risolvere un problema di vecchia data che impedisce ai microscopi di produrre immagini più nitide su scala più piccola.
La svolta, che utilizza fotoni entangled per creare un nuovo metodo di correzione della distorsione dell'immagine nei microscopi, potrebbe portare a un miglioramento dell'imaging microscopico classico di campioni di tessuto per aiutare a far avanzare la ricerca medica.
Potrebbe anche portare a nuovi progressi nella microscopia quantistica da utilizzare in un’ampia gamma di campi. L'articolo del team, intitolato "Adaptive Optical Imaging with Entangled Photons", è pubblicato su Science . Alla ricerca hanno contribuito anche ricercatori dell'Università di Cambridge e del Laboratoire Kastler Brossel in Francia.
I microscopi sono strumenti preziosi per gli scienziati da centinaia di anni. I progressi nel campo dell'ottica hanno permesso ai ricercatori di risolvere immagini sempre più dettagliate delle strutture fondamentali di cellule e materiali.
Tuttavia, man mano che i microscopi sono diventati più complessi, hanno iniziato a scontrarsi con i limiti della tecnologia ottica convenzionale, dove anche i più piccoli difetti negli elementi che risolvono le immagini possono produrre immagini sfocate.
Attualmente, un processo chiamato ottica adattiva viene utilizzato per correggere le distorsioni dell'immagine causate da aberrazioni. Le aberrazioni possono essere causate da piccole imperfezioni nelle lenti e in altri componenti ottici o da difetti nel campione al microscopio.
La chiave per l'ottica adattiva è una "stella guida", un punto luminoso identificato nel campione al microscopio che fornisce un punto di riferimento per rilevare le aberrazioni. Dispositivi chiamati modulatori spaziali della luce possono quindi modellare la luce e correggere queste distorsioni.
La dipendenza dalle stelle guida pone problemi ai microscopi che riproducono immagini di campioni come cellule e tessuti che non contengono punti luminosi. Gli scienziati hanno sviluppato un'ottica adattiva priva di stelle guida utilizzando algoritmi di elaborazione delle immagini, ma questi possono fallire per campioni con strutture complesse.
Nel nuovo articolo, ricercatori del Regno Unito e della Francia descrivono come hanno utilizzato i fotoni entangled per rilevare e correggere le aberrazioni che normalmente distorcono le immagini del microscopio. Chiamano il processo ottica adattiva assistita da quantistici.
L'articolo descrive come utilizzano la loro nuova tecnica per correggere la distorsione e recuperare immagini ad alta risoluzione di campioni di test biologici:il boccaglio e la zampa di un'ape. Dimostrano anche la correzione dell'aberrazione per campioni con strutture tridimensionali, una situazione in cui l'ottica adattiva classica spesso fallisce.
Hanno utilizzato coppie di fotoni intrecciati per illuminare i campioni, consentendo loro di catturare un'immagine convenzionale e misurare le correlazioni quantistiche allo stesso tempo.
Quando le coppie di fotoni entangled incontrano un’aberrazione, il loro entanglement, sotto forma di correlazioni quantistiche, si degrada. I ricercatori mostrano che il modo in cui queste correlazioni quantistiche vengono degradate rivela effettivamente informazioni sulle aberrazioni e consente di correggerle utilizzando sofisticate analisi computerizzate.
Le informazioni contenute nelle correlazioni consentono una caratterizzazione precisa delle aberrazioni, consentendone successivamente la correzione con un modulatore di luce spaziale. L'articolo mostra che le correlazioni possono essere utilizzate per produrre immagini più chiare e ad alta risoluzione rispetto alle tradizionali tecniche di microscopia in campo chiaro.
Patrick Cameron, della Scuola di Fisica e Astronomia dell'Università di Glasgow, è il primo autore dell'articolo. Ha affermato:"I campioni complessi come i tessuti biologici possono essere difficili da visualizzare utilizzando gli approcci convenzionali alla microscopia, dove la tecnica delle stelle luminose può fallire perché raramente sono presenti punti luminosi naturali nei tessuti umani o animali.
"Questa ricerca mostra che le sorgenti di luce entangled possono essere utilizzate per sondare campioni in modi che sono molto più impegnativi, se non impossibili, con la microscopia tradizionale. Identificare e correggere aberrazioni e distorsioni con fotoni entangled ci ha permesso di produrre immagini più nitide senza bisogno di una stella guida."
Il dottor Hugo Defienne ha iniziato a lavorare sulla ricerca presso la Scuola di Fisica e Astronomia dell'Università di Glasgow prima di trasferirsi all'Istituto di Nanoscienze di Parigi presso l'Università della Sorbona, dove attualmente risiede. Il dottor Defienne, ultimo autore dell'articolo, ha affermato:"Questa nuova tecnica potrebbe essere ampiamente applicata a tutti i tipi di microscopi ottici convenzionali per contribuire a migliorare l'imaging di un'ampia gamma di campioni. Abbiamo dimostrato la sua efficacia su campioni biologici, suggerendo che potrebbe essere utilizzato in futuro nei settori medico e biologico.
"Potrebbe anche essere applicato al campo emergente della microscopia quantistica, che ha un enorme potenziale per produrre immagini oltre i limiti della luce classica."
Il team deve ancora superare alcuni ostacoli tecnici prima che la tecnica possa essere ampiamente adottata nei microscopi ottici.
Il professor Daniele Faccio, che guida il gruppo di ricerca Extreme Light dell'Università di Glasgow, è coautore dell'articolo. Ha affermato:"La prossima generazione di fotocamere e sorgenti luminose contribuirà probabilmente a migliorare la velocità con cui le immagini possono essere risolte utilizzando questa tecnica. Continueremo a lavorare sul perfezionamento e sullo sviluppo del processo e non vediamo l'ora di trovare nuove applicazioni nel mondo reale per microscopia avanzata man mano che progrediamo."
Ulteriori informazioni: Patrick Cameron et al, Imaging ottico adattivo con fotoni entangled, Scienza (2024). DOI:10.1126/science.adk7825
Fornito dall'Università di Glasgow
