De unika egenskaperna hos kvantfysiken kan hjälpa till att lösa ett långvarigt problem som hindrar mikroskop från att producera skarpare bilder i minsta skala, säger forskare.
Genombrottet, som använder intrasslade fotoner för att skapa en ny metod för att korrigera för bildförvrängning i mikroskop, kan leda till förbättrad klassisk mikroskopavbildning av vävnadsprover för att främja medicinsk forskning.
Det kan också leda till nya framsteg inom kvantförstärkt mikroskopi för användning inom ett brett spektrum av områden. Teamets artikel, med titeln "Adaptive Optical Imaging with Entangled Photons", publiceras i Science . Forskare från University of Cambridge och Laboratoire Kastler Brossel i Frankrike bidrog också till forskningen.
Mikroskop har varit ovärderliga verktyg för forskare i hundratals år. Framstegen inom optiken har gjort det möjligt för forskare att lösa allt mer detaljerade bilder av de grundläggande strukturerna hos celler och material.
Men eftersom mikroskop har utvecklats i komplexitet, har de börjat möta gränserna för konventionell optisk teknik, där även små brister i de element som löser bilder kan ge suddiga bilder.
För närvarande används en process som kallas adaptiv optik för att korrigera bildförvrängningar orsakade av aberrationer. Avvikelser kan orsakas av små brister i linser och andra optiska komponenter eller av brister i provet under mikroskopet.
Nyckeln till adaptiv optik är en "ledstjärna" - en ljus punkt identifierad i provet under mikroskopet som ger en referenspunkt för att upptäcka aberrationer. Enheter som kallas rumsliga ljusmodulatorer kan sedan forma ljuset och korrigera för dessa förvrängningar.
Att lita på ledstjärnor ställer till problem för mikroskop som avbildar prover som celler och vävnader som inte innehåller ljusa fläckar. Forskare har utvecklat styrstjärnfri adaptiv optik med hjälp av bildbehandlingsalgoritmer, men dessa kan misslyckas för prover med komplexa strukturer.
I den nya artikeln beskriver forskare från Storbritannien och Frankrike hur de använde intrasslade fotoner för att känna av och korrigera för aberrationer som normalt förvränger mikroskopbilder. De kallar processen kvantassisterad adaptiv optik.
Tidningen beskriver hur de använder sin nya teknik för att korrigera för förvrängning och hämta högupplösta bilder av biologiska testprover – munstycket och benet på ett honungsbi. De visar också aberrationskorrigering för prover med tredimensionella strukturer – en situation där klassisk adaptiv optik ofta misslyckas.
De använde intrasslade fotonpar för att belysa proverna, så att de kunde fånga en konventionell bild och samtidigt mäta kvantkorrelationerna.
När de intrasslade fotonparen möter aberration, blir deras intrassling – i form av kvantkorrelationer – försämrad. Forskarna visar att hur dessa kvantkorrelationer försämras faktiskt avslöjar information om aberrationerna och gör att de kan korrigeras med hjälp av sofistikerad datoranalys.
Informationen i korrelationerna möjliggör en exakt karakterisering av aberrationer, vilket möjliggör korrigering av dem med en rumslig ljusmodulator efteråt. Uppsatsen visar att korrelationerna kan användas för att producera tydligare, mer högupplösta bilder än konventionella ljusfältsmikroskopitekniker.
Patrick Cameron, från University of Glasgows School of Physics &Astronomy, är tidningens första författare. Han sa, "Komplexa prover som biologiska vävnader kan vara utmanande att avbilda med konventionella metoder för mikroskopi, där tekniken med ljusa stjärnor kan misslyckas eftersom det sällan finns naturliga ljusa fläckar i mänsklig eller djurvävnad."
"Denna forskning visar att kvantintrasslade ljuskällor kan användas för att sondera prover på sätt som är mycket mer utmanande, för att inte säga omöjliga, med traditionell mikroskopi. Att identifiera och korrigera aberrationer och förvrängningar med intrasslade fotoner gjorde det möjligt för oss att producera skarpare bilder utan att behov av en ledstjärna."
Dr. Hugo Defienne började arbeta med forskningen vid University of Glasgows School of Physics &Astronomy innan han flyttade till Paris Institute of Nanosciences vid Sorbonne University, där han nu är baserad. Dr. Defienne, sista författare på tidningen, sa:"Denna nya teknik kan tillämpas brett på alla typer av konventionella optiska mikroskop för att förbättra avbildningen av ett brett urval av prover. Vi visade dess effektivitet på biologiska prover, vilket tyder på att den kunde användas inom medicinska och biologiska sektorer i framtiden.
"Det kan också tillämpas på det framväxande området kvantmikroskopi, som har en enorm potential att producera bilder bortom gränserna för klassiskt ljus."
Teamet har fortfarande några tekniska hinder att övervinna innan tekniken kan tillämpas allmänt i optiska mikroskop.
Professor Daniele Faccio, som leder University of Glasgows forskningsgrupp Extreme Light, är medförfattare till artikeln. Han sa, "Nästa generation av kameror och ljuskällor kommer sannolikt att bidra till att förbättra hastigheten för bilder som kan lösas med denna teknik. Vi kommer att fortsätta att arbeta med att förfina och utveckla processen och ser fram emot att hitta nya verkliga tillämpningar för avancerad mikroskopi allt eftersom vi framskrider."
Mer information: Patrick Cameron et al, Adaptiv optisk bildbehandling med entangled photons, Science (2024). DOI:10.1126/science.adk7825
Tillhandahålls av University of Glasgow
