I ricercatori della Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia insieme ai colleghi dell'Università di Stanford e dell'Oklahoma State University hanno introdotto un metodo di imaging di fase di ispirazione quantistica basato su misurazioni di correlazione dell'intensità della luce che è resistente al rumore di fase.
Il nuovo metodo di imaging può funzionare anche con un’illuminazione estremamente scarsa e può rivelarsi utile in applicazioni emergenti come l’imaging interferometrico a infrarossi e a raggi X e l’interferometria quantistica e delle onde di materia. I risultati della ricerca sono stati pubblicati su Science Advances .
Non importa se scatti foto di un gatto con il tuo smartphone o colture cellulari di immagini con un microscopio avanzato, lo fai misurando l'intensità (luminosità) della luce pixel per pixel. La luce è caratterizzata non solo dalla sua intensità ma anche dalla sua fase. È interessante notare che gli oggetti trasparenti possono diventare visibili se riesci a misurare il ritardo di fase della luce che introducono.
La microscopia a contrasto di fase, per la quale Frits Zernike ricevette il Premio Nobel nel 1953, portò una rivoluzione nell'imaging biomedico grazie alla possibilità di ottenere immagini ad alta risoluzione di vari campioni trasparenti e otticamente sottili. Il campo di ricerca emerso dalla scoperta di Zernike comprende moderne tecniche di imaging come l'olografia digitale e l'imaging di fase quantitativa.
"Consente la caratterizzazione quantitativa e senza etichetta di campioni viventi, come colture cellulari, e può trovare applicazioni nella neurobiologia o nella ricerca sul cancro", spiega il dottor Radek Lapkiewicz, capo del laboratorio di imaging quantistico presso la Facoltà di fisica dell'Università di Varsavia.
Tuttavia, c’è ancora spazio per miglioramenti. "Ad esempio, l'interferometria, un metodo di misurazione standard per misurazioni precise dello spessore in qualsiasi punto dell'oggetto esaminato, funziona solo quando il sistema è stabile, non soggetto a shock o disturbi. È molto impegnativo eseguire un test del genere, perché ad esempio, in un'auto in movimento o su una tavola vibrante," spiega Jerzy Szuniewcz, dottorando presso la Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia.
I ricercatori della Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia insieme ai colleghi dell'Università di Stanford e dell'Oklahoma State University hanno deciso di affrontare questo problema e sviluppare un nuovo metodo di imaging di fase immune all'instabilità di fase.
Come è venuta ai ricercatori l’idea per la nuova tecnica? Già negli anni ’60 Leonard Mandel e il suo gruppo dimostrarono che anche quando l’interferenza non è rilevabile in intensità, le correlazioni possono rivelarne la presenza. "Ispirandoci ai classici esperimenti di Mandel, volevamo studiare come utilizzare le misurazioni della correlazione dell'intensità per l'imaging di fase", spiega Lapkiewicz.
In una misurazione di correlazione hanno osservato coppie di pixel e hanno osservato se diventavano più luminosi o più scuri allo stesso tempo.
"Abbiamo dimostrato che tali misurazioni contengono informazioni aggiuntive che non possono essere ottenute utilizzando una singola foto, ad esempio la misurazione dell'intensità. Usando questo fatto, abbiamo dimostrato che nella microscopia di fase basata sull'interferenza, le osservazioni sono possibili anche quando gli interferogrammi standard fanno una media perdendo tutta la informazioni sulla fase e non vengono registrate frange nell'intensità.
"Con un approccio standard, si potrebbe supporre che non ci siano informazioni utili in un'immagine del genere. Tuttavia, si scopre che l'informazione è nascosta nelle correlazioni e può essere recuperata analizzando più foto indipendenti di un oggetto permettendoci di ottenere immagini perfette interferogrammi, anche se l'interferenza ordinaria non è rilevabile a causa del rumore", aggiunge Lapkiewicz.
"Nel nostro esperimento, la luce che attraversa un oggetto in fase (il nostro obiettivo, che vogliamo indagare) viene sovrapposta a una luce di riferimento. Viene introdotto un ritardo di fase casuale tra l'oggetto e i raggi di luce di riferimento:questo ritardo di fase simula un disturbo ostacolando i metodi standard di imaging di fase. Di conseguenza, non si osserva alcuna interferenza quando si misura l'intensità, ovvero non è possibile ottenere informazioni sull'oggetto di fase dalle misurazioni dell'intensità.
"Tuttavia, la correlazione intensità-intensità dipendente dallo spazio mostra uno schema a frange che contiene l'informazione completa sull'oggetto di fase. Questa correlazione intensità-intensità non è influenzata da qualsiasi rumore di fase temporale che varia più lentamente della velocità del rilevatore (~ 10 nanosecondi nel esperimento eseguito) e può essere misurato accumulando dati in un periodo di tempo arbitrariamente lungo, il che rappresenta un punto di svolta:misurazioni più lunghe significano più fotoni, il che si traduce in una maggiore precisione," spiega Jerzy Szuniewicz, il primo autore del lavoro.
In parole povere, se dovessimo registrare un singolo fotogramma di un film, quel singolo fotogramma non ci fornirebbe informazioni utili su come appare l’oggetto in studio. "Pertanto, prima abbiamo registrato un'intera serie di tali fotogrammi utilizzando una fotocamera e poi abbiamo moltiplicato i valori di misurazione in ciascuna coppia di punti di ogni fotogramma. Abbiamo calcolato la media di queste correlazioni e registrato un'immagine completa del nostro oggetto", spiega Szuniewicz.
"Esistono molti modi possibili per recuperare il profilo di fase di un oggetto osservato da una sequenza di immagini. Tuttavia, abbiamo dimostrato che il nostro metodo basato sulla correlazione intensità-intensità e una cosiddetta tecnica olografia fuori asse fornisce una precisione di ricostruzione ottimale" afferma Stanisław Kurdziałek, il secondo autore dell'articolo.
Un approccio di imaging di fase basato sulla correlazione dell'intensità può essere ampiamente utilizzato in ambienti molto rumorosi. Il nuovo metodo funziona sia con la luce classica (laser e termica) che con quella quantistica. Può anche essere implementato nel regime di conteggio dei fotoni, ad esempio utilizzando diodi a valanga a singolo fotone. "Possiamo usarlo nei casi in cui c'è poca luce disponibile o quando non possiamo usare un'elevata intensità luminosa per non danneggiare l'oggetto, ad esempio un delicato campione biologico o un'opera d'arte", spiega Szuniewicz.
"La nostra tecnica amplierà le prospettive nelle misurazioni di fase, comprese applicazioni emergenti come l'imaging a infrarossi e a raggi X e l'interferometria quantistica e delle onde di materia", conclude Lapkiewicz.
Ulteriori informazioni: Jerzy Szuniewicz et al, Imaging di fase resistente al rumore con correlazione dell'intensità, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh5396
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