Kvantavbildning är ett växande område som drar fördel av den kontraintuitiva och "läskiga" förmågan hos ljuspartiklar, eller fotoner, att bli länkade eller intrasslade under speciella omständigheter. Om tillståndet för en foton i den intrasslade duon justeras, gör den andra det också, oavsett hur långt från varandra de två fotonerna kan vara.
Caltech-forskare demonstrerade i maj förra året hur en sådan intrassling kan fördubbla upplösningen hos klassiska ljusmikroskop samtidigt som det förhindrar ett bildsystems ljus från att skada ömtåliga biologiska prover. Nu har samma team förbättrat tekniken, vilket gör det möjligt att kvantavbilda hela organskivor och även små organismer.
Leds av Lihong Wang, Bren-professorn i medicinsk teknik och elektroteknik, använder det nya verket intrassling – vad Albert Einstein en gång berömt beskrev som "läskig action på avstånd" – för att inte bara kontrollera färgen och ljusstyrkan på ljuset som träffar ett prov. , men också polariseringen av det ljuset.
"Vår nya teknik har potential att bana väg för kvantavbildning inom många olika områden, inklusive biomedicinsk avbildning och potentiellt till och med fjärravkänning av rymd," säger Wang, som också är Andrew och Peggy Cherng Medical Engineering Leadership Chair och verkställande direktör för medicinsk ingenjör.
Liksom våglängd och intensitet är polarisering en grundläggande egenskap hos ljus och representerar vilken riktning den elektriska komponenten i en ljusvåg är orienterad med avseende på vågens allmänna färdriktning. Det mesta ljuset, inklusive solljus, är opolariserat, vilket innebär att dess elektromagnetiska vågor rör sig och färdas i alla riktningar.
Men filter som kallas polarisatorer kan användas för att skapa ljusstrålar med en specifik polarisation. En vertikal polarisator tillåter till exempel bara fotoner med vertikal polarisation att passera igenom. De med horisontell polarisation (vilket betyder att den elektriska komponenten i ljusvågen är orienterad horisontellt i förhållande till färdriktningen) kommer att blockeras. Allt ljus med andra polarisationsvinklar (mellan vertikalt och horisontellt) kommer delvis att passera igenom. Resultatet är en ström av vertikalt polariserat ljus.
Det är så polariserade solglasögon minskar bländning. De använder en vertikalt polariserande kemisk beläggning för att blockera solljus som har blivit horisontellt polariserat genom att reflekteras från en horisontell yta, såsom en sjö eller ett snöigt fält. Detta innebär att bäraren endast observerar vertikalt polariserat ljus.
När förändringar i ljusintensitet eller färg inte räcker för att ge forskare kvalitetsbilder av vissa objekt, kan kontroll av polariseringen av ljuset i ett bildsystem ibland ge mer information om provet och erbjuda ett annat sätt att identifiera kontrasten mellan ett prov och dess bakgrund. Att upptäcka förändringar i polarisation som orsakas av vissa prover kan också ge forskare information om den interna strukturen och beteendet hos dessa material.
Wangs senaste mikroskopiteknik, kallad quantum imaging av en slump från entanglement (ICE), drar fördel av intrasslade fotonpar för att få högre upplösningsbilder av biologiska material, inklusive tjockare prover, och för att göra mätningar av material som har vad forskare kallar dubbelbrytande egenskaper.
Istället för att konsekvent böja inkommande ljusvågor på samma sätt, som de flesta material gör, böjer dubbelbrytande material dessa vågor i olika grad beroende på ljusets polarisering och i vilken riktning det rör sig. De vanligaste dubbelbrytande materialen som studerats av forskare är kalcitkristaller. Men biologiska material, såsom cellulosa, stärkelse och många typer av djurvävnad, inklusive kollagen och brosk, är också dubbelbrytande.
Om ett prov med dubbelbrytande egenskaper placeras mellan två polarisatorer som är orienterade i 90 graders vinklar mot varandra, kommer en del av ljuset som går genom provet att förändras i sin polarisering och kommer därför att passera igenom till detektorn, även om alla andra inkommande ljus bör blockeras av de två polarisatorerna. Det detekterade ljuset kan sedan ge information om provets struktur. Inom materialvetenskap, till exempel, använder forskare dubbelbrytningsmätningar för att få en bättre förståelse för de områden där mekanisk spänning byggs upp i plast.
I Wangs ICE-uppställning passerar ljus först genom en polarisator och sedan genom ett par speciella bariumboratkristaller, som då och då skapar ett intrasslat fotonpar; ungefär ett par produceras för varje miljon fotoner som passerar genom kristallerna. Därifrån kommer de två intrasslade fotonerna att förgrena sig och följa en av systemets två armar:en kommer att färdas rakt fram, följa vad som kallas tomgångsarmen, medan den andra spårar en mer kretslopp som kallas signalarmen som får fotonen att passera genom föremålet av intresse.
Slutligen går båda fotonerna genom en extra polarisator innan de når två detektorer, som registrerar ankomsttiden för de detekterade fotonerna. Här uppstår dock en "läskig" kvanteffekt på grund av fotonernas intrasslade natur:detektorn i tomgångsarmen kan fungera som ett virtuellt "nålhål" och "polarisationsväljare" på signalarmen, vilket omedelbart påverkar platsen och polariseringen av fotonen som infaller på objektet i signalarmen.
"I ICE-inställningen fungerar detektorerna i signal- och tomgångsarmarna som "riktiga" respektive "virtuella" nålhål", säger Yide Zhang, huvudförfattare till den nya artikeln publicerad i Science Advances och en postdoc-stipendiat i medicinsk teknik vid Caltech. "Denna konfiguration med dubbla pinhole förbättrar den rumsliga upplösningen för objektet som avbildas i signalarmen. Följaktligen uppnår ICE högre rumslig upplösning än konventionell avbildning som använder ett enda pinhole i signalarmen."
"Eftersom varje intrasslat fotonpar alltid anländer till detektorerna samtidigt kan vi undertrycka brus i bilden som orsakas av slumpmässiga fotoner", tillägger Xin Tong, medförfattare till studien och doktorand i medicin och elektroteknik vid Caltech .
För att bestämma de dubbelbrytande egenskaperna hos ett material med en klassisk mikroskopinställning, växlar forskare vanligtvis genom olika ingångslägen, belyser ett objekt separat med horisontellt, vertikalt och diagonalt polariserat ljus och mäter sedan motsvarande utgångstillstånd med en detektor. Målet är att mäta hur dubbelbrytningen av provet förändrar bilden som detektorn tar emot i vart och ett av dessa tillstånd. Denna information informerar forskarna om strukturen på provet och kan ge bilder som annars inte skulle vara möjliga.
Eftersom kvantintrassling gör att parade fotoner kan länkas oavsett hur långt ifrån varandra de kan vara, föreställer Wang redan hur hans nya system skulle kunna användas för att göra dubbelbrytningsmätningar i rymden.
Tänk på en situation där något av intresse, kanske ett interstellärt medium, är beläget ljusår bort från jorden. En satellit i rymden kan vara placerad så att den kan sända ut intrasslade fotonpar med hjälp av ICE-tekniken, med två markstationer som fungerar som detektorer.
Det stora avståndet till satelliten skulle göra det opraktiskt att skicka någon form av signal för att justera enhetens källpolarisation. Men på grund av intrassling skulle en ändring av polarisationstillståndet i tomgångsarmen vara ekvivalent med att ändra polariseringen av källljuset innan strålen träffar objektet.
"Genom att använda kvantteknik, nästan omedelbart, kan vi göra ändringar i fotonernas polariseringstillstånd oavsett var de är", säger Wang. "Kvantteknik är framtiden. Av vetenskaplig nyfikenhet måste vi utforska denna riktning."
Mer information: Yide Zhang et al, Kvantavbildning av biologiska organismer genom rumslig och polariserande intrassling, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk1495
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av California Institute of Technology
