Intrasslade fotoner kan användas för att förbättra avbildnings- och mättekniker. Ett team av forskare från Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF i Jena har utvecklat en kvantavbildningslösning som kan underlätta mycket detaljerade insikter i vävnadsprover med extrema spektralområden och mindre ljus.

Medan optiska analystekniker som mikroskopi och spektroskopi är extremt effektiva i synliga våglängdsområden, de når snabbt sina gränser i det infraröda eller terahertzområdet. Den där, dock, är just där värdefull information är gömd. Till exempel, bioämnen som proteiner, lipider och andra biokemiska komponenter kan särskiljas baserat på deras karakteristiska molekylära vibrationer. Dessa vibrationer stimuleras av ljus i det mellaninfraröda till terahertz-området och är mycket svåra att upptäcka med konventionella mättekniker. "Om dessa rörelser kunde fångas eller framkallas, det skulle vara möjligt att se exakt hur vissa proteiner, lipider och andra ämnen fördelas i cellprover. Till exempel, vissa typer av cancer har en karakteristisk koncentration eller uttryck av vissa proteiner. Detta skulle innebära att sjukdomen kunde upptäckas och behandlas mer effektivt. Mer exakt kunskap om distributionen av bioämnen kan ge stora framsteg inom läkemedelsforskningen, också, " säger kvantforskaren Dr. Markus Gräfe från Fraunhofer IOF.

Intrasslade fotoner – tvillingar men ändå olika

Men hur kan information från dessa extrema våglängdsområden göras synlig? Den kvantmekaniska effekten av fotontrassling hjälper forskarna att låta dem utnyttja dubbla ljusstrålar med olika våglängder. I en interferometrisk uppställning, en laserstråle sänds genom en icke-linjär kristall i vilken den genererar två intrasslade ljusstrålar. Dessa två strålar kan ha väldigt olika våglängder beroende på kristallens egenskaper, men de är fortfarande förbundna med varandra på grund av deras förveckling.

"Så nu, medan en fotonstråle i det osynliga infraröda området skickas till objektet för belysning och interaktion, dess tvillingstråle i det synliga spektrumet fångas av en kamera. Eftersom de intrasslade ljuspartiklarna bär samma information, en bild genereras trots att ljuset som når kameran aldrig interagerar med det faktiska objektet, " förklarar Gräfe. Den synliga tvillingen ger i huvudsak insikt i vad som händer med den osynliga tvillingen.

Samma princip kan också användas i det ultravioletta spektralområdet:UV-ljus skadar lätt celler, så levande prover är extremt känsliga för det ljuset. Detta begränsar avsevärt den tillgängliga tiden för att undersöka, till exempel, cellprocesser som varar flera timmar eller mer. Eftersom mindre ljus och mindre doser av strålning penetrerar vävnadsceller under kvantavbildning, de kan observeras och analyseras med hög upplösning under längre perioder utan att förstöra dem.

Liten montering och små strukturer

"Vi kan visa att hela den komplexa processen kan utföras på ett sätt som är robust, kompakt och bärbar, " säger Gräfe. Forskarna arbetar för närvarande med att göra systemet ännu mer kompakt, krympa den till storleken av en skokartong, och att ytterligare förbättra dess resolution. Nästa steg de hoppas uppnå är, till exempel, ett kvantskanningsmikroskop. Istället för att bilden tas med en bredbildskamera, det kommer att skannas, liknande ett laserskanningsmikroskop. Forskarna förväntar sig att detta kommer att ge ännu högre upplösningar på mindre än en mikrometer (1 µm), möjliggör granskning av strukturer inom enskilda celler i ännu större detalj. I genomsnitt, en cell är ungefär tio mikrometer stor. I längden, de vill se kvantavbildning integrerad i befintliga mikroskopisystem som en grundläggande teknik, vilket minskar hindren för industrianvändare.

Demonstratorn är ett av resultaten från Fraunhofer fyrprojekt QUILT, som samlar kvantoptikexpertisen från Fraunhofer Institutes for Applied Optics and Precision Engineering IOF, för fysiska mättekniker IPM, för Microelectronic Circuits and Systems IMS, för industriell matematik ITWM, av optronik, Systemteknik och bildexploatering IOSB och för Laser Technology ILT.