Forskare från Texas A&M University åstadkom det som en gång ansågs omöjligt - de skapade en enhet som kunde pressa ljusets kvantfluktuationer ner till en riktad bana och använde den för att förbättra kontrastbilden.

Denna unika "ficklampa" byggdes för att öka signal-till-brus-förhållandet i Brillouin-mikroskopiska spektroskopiska mätningar som visuellt registrerar de mekaniska egenskaperna hos strukturer inuti levande celler och vävnader. Testresultat visar att den nya källan avsevärt ökar bildens klarhet och noggrannhet.

"Detta är en ny väg inom forskning", säger Dr. Vladislav Yakovlev, universitetsprofessor vid Institutionen för biomedicinsk teknik i College of Engineering. "Vi specialdesignar ljus på ett sådant sätt att det kan förbättra kontrasten."

"Det är en ny milstolpe i förmågan hos Brillouin-mikroskopi och bildbehandling som används i stor utsträckning för biosystem", säger Dr. Girish Agarwal, University Distinguished Professor vid Institutionen för biologisk och jordbruksteknik vid College of Agriculture and Life Sciences. "Och det blir en del av en internationell ansträngning att utveckla kvantsensorer för olika applikationer som hjärnavbildning, kartläggning av biomolekylstrukturer och utforska underjordiska olje- och vattenkällor genom att ta fram superkänsliga gravimetrar."

En artikel som beskriver arbetet publicerades i Optica .

Alla instrument som kan ta en bild eller bild fångar också signalförvrängningar eller brus i processen. Förvrängningarna kan bero på för mycket eller för lite ljus och till och med ljusstyrka eller färgproblem från miljön runt motivet. Det mesta bruset är obemärkt tills bilden är tillräckligt förstorad för att det blotta ögat ska se de oönskade pixlarna tydligt.

Brillouinmikroskopi är den grundläggande gränsen för mätning i reducerad skala som för närvarande är möjlig. Processen riktar laser mot fasta föremål och mäter vågorna eller vibrationssignalerna från de rörliga atomerna och strukturerna i det synligt orörliga materialet.

Brus som produceras i denna skala kan allvarligt skymma de mottagna signalerna och skapa grumliga bilder som är svåra att tolka. För närvarande lider alla laserspektroskopisystem som Brillouin-mikroskopi av de naturliga och tekniska signalförvrängningar som är förknippade med laserljus, vilket är anledningen till att nyare ljuskällor behövs.

För sex år sedan försökte Yakovlev förbättra signal-brusförhållandet i Brillouin-mikroskopi genom att använda intensiva ljuskällor. Tyvärr skadade överexponering för ljus cellerna han avbildade.

Yakovlev sökte efter svar i litteraturen och hittade en teori från 1980-talet att postulerat kvantljus kunde lösa problemet, även om det inte nämndes hur. Agarwal, expert på kvantfysik, kom på ett möjligt sätt. Dr. Tian Li, då postdoktor vid University of Maryland, anställdes för att skapa det första kvantljuslaboratoriet vid Texas A&M. Laboratorieutrymmet tillhandahölls av Dr Marlan Scully, chef för Institutet för kvantvetenskap och teknik.

Teamet stod inför två betydande utmaningar:att hitta finansiering för en så vild idé och att hitta doktorander och postdoktorala forskare för att hjälpa dem - de som var villiga att sträcka sig över områdena biologi och kvantfysik.

Efter nästan två år av kraftfulla undersökningar växte enheten till en utrustning i bordsstorlek av komplexa optiska konfigurationer och mätinstrument som gjorde det möjligt för forskarna att justera, rikta och effektivt manipulera och detektera ljus. Under den tiden fick Li en bättre förståelse för biologi, och Yakovlev och Agarwal utvecklade en mekanism för att skapa rätt tillstånd och materia av ljus som behövs för brusreducering utan att skada levande celler.

Även om den ljuspressande enheten kan användas för andra spektroskopiska mätningar som Raman-spridning, förbättrar Yakovlev och Agarwal förmågan hos Brillouin-mikroskopi för att identifiera de viskösa eller elastiska materialen i biologiska system. Dessa system kontrollerar de fysiska egenskaperna hos celler och cellstrukturer och definierar allt från cellutveckling till cancerprogression.

Att se detaljer gör helt klart en enorm skillnad i biomedicinska genombrott.

"Varje gång du får ett nytt teleskop eller något liknande gravitationsvågastronomi, upptäcker du nya saker som du omöjligt kan se utan det," sa Yakovlev. "Samma sak fungerar inom biologin. Innan mikroskopet uppfanns visste vi inte att vi består av enskilda celler."

Hittills har bara kontrasten i spektroskopibilder förbättrats, men Yakovlev och Agarwal arbetar redan med Agarwals teori för att förbättra rumslig upplösning eller minsta möjliga detaljer. Och om uppgiften leder till att skapa ytterligare en komplex enhet som tänjer på gränserna för nuvarande teknik, är forskarna redo och villiga att få det att hända.

"Jag älskar den typen av projekt där folk säger att något aldrig kommer att fungera, och det fungerar", sa Yakovlev. "Jag älskar utmaningar." + Utforska vidare

Högpresterande 937-nm laser låter forskare se djupare med lägre effekt