Ett genombrott inom kvantavbildning kan leda till utvecklingen av avancerade former av mikroskopi för användning inom medicinsk forskning och diagnostik.

Ett team av fysiker från University of Glasgow och Heriot-Watt University har hittat ett nytt sätt att skapa detaljerade mikroskopiska bilder under förhållanden som skulle få konventionella optiska mikroskop att misslyckas.

I en ny artikel publicerad idag i tidskriften Nature Photonics , beskriver teamet hur de har skapat bilder genom att hitta ett nytt sätt att utnyttja ett kvantfenomen som kallas Hong-Ou-Mandel (HOM) interferens.

Uppkallad efter de tre forskarna som först demonstrerade det 1987, inträffar HOM-interferens när kvanttrasslade fotoner passerar genom en stråldelare - ett glasprisma som kan förvandla en enda ljusstråle till två separata strålar när den passerar igenom. Inuti prismat kan fotonerna antingen reflekteras internt eller sändas utåt.

När fotonerna är identiska kommer de alltid att lämna splittern i samma riktning, en process som kallas "hopsamling". När de intrasslade fotonerna mäts med hjälp av fotodetektorer vid slutet av banan för den delade ljusstrålen, visar en karakteristisk "dipp" i ljusets utmatningssannolikhetsgraf att de samlade fotonerna endast når en detektor och inte den andra.

Den nedgången är Hong-Ou-Mandel-effekten, som visar den perfekta intrasslingen av två fotoner. Det har använts i applikationer som logiska grindar i kvantdatorer, som kräver perfekt intrassling för att fungera.

Den har också använts vid kvantavkänning genom att placera en transparent yta mellan en utgång från stråldelaren och fotodetektorn, vilket introducerar en mycket liten fördröjning av tiden det tar för fotoner att detekteras. Sofistikerad analys av fördröjningen kan hjälpa till att rekonstruera detaljer som tjockleken på ytor.

Nu har det Glasgow-ledda teamet tillämpat det på mikroskopi, med hjälp av enfotonkänsliga kameror för att mäta de hophopade och anti-buntade fotonerna och lösa upp mikroskopiska bilder av ytor.

I Nature Photonics-tidningen visar de hur de har använt sin installation för att skapa högupplösta bilder av klar akryl sprayad på ett objektglas med ett genomsnittligt djup på 13 mikron och en uppsättning bokstäver som stavar "UofG" etsade på en bit av glas på cirka 8 mikron djupt.

Deras resultat visar att det är möjligt att skapa detaljerade, lågbrusiga bilder av ytor med en upplösning på mellan en och 10 mikron, vilket ger resultat nära det för ett konventionellt mikroskop.

Professor Daniele Faccio, vid University of Glasgows School of Physics and Astronomy, är tidningens huvudförfattare. Professor Faccio sa:"Konventionell mikroskopi med synligt ljus har lärt oss mycket om den naturliga världen och hjälpt oss att göra en otrolig mängd tekniska framsteg.

"Men det har vissa begränsningar som kan övervinnas genom att använda kvantljus för att undersöka det mikroskopiska området. Inom bioavbildning, där celler kan vara nästan helt transparenta, kan det vara en stor fördel att kunna undersöka sina fina detaljer utan att använda konventionellt ljus - vi valde att avbilda transparenta ytor i denna forskning just för att visa den potentialen.

"På liknande sätt måste prover i konventionella mikroskop hållas helt stilla – om man introducerar även en liten vibration kan det introducera en nivå av oskärpa som skulle förstöra en bild. Men HOM-interferens kräver bara att man mäter fotonkorrelationer och det finns mycket mindre behov av stabilitet.

"Nu när vi har konstaterat att det är möjligt att bygga den här typen av kvantmikroskopi genom att utnyttja Hong-Ou-Mandel-effekten, är vi angelägna om att förbättra tekniken för att göra det möjligt att lösa bilder i nanoskala. Det kommer att kräva lite smart ingenjörskonst. att uppnå, men möjligheten att tydligt kunna se extremt små egenskaper som cellmembran eller till och med DNA-strängar är spännande. Vi ser fram emot att fortsätta att förfina vår design." + Utforska vidare

Holografi "kvantsprång" kan revolutionera bildbehandling