Yeni kuantum mikroskobu hilesi mikroskop çözünürlüğünü dört katına çıkarıyor

Caltech bilim adamlarından oluşan bir ekip, dolanık foton çiftlerinin ışık mikroskobunun çözünürlüğünü iki katına çıkarabileceğini gösterdikten üç yıl sonra, aynı laboratuvar bu gelişmeyi ikiye katlamanın bir yolunu buldu. Artık, dolaşmış fotonlardan birini mikroskobun optikleri aracılığıyla bir kez yerine üç kez gönderen yeni bir optik tasarım kullanarak, klasik mikroskopla karşılaştırıldığında dört kat çözünürlük artışı elde ettiler.

Bren Tıp Mühendisliği ve Elektrik Mühendisliği Profesörü ve Caltech’teki Andrew ve Peggy Cherng Tıp Mühendisliği Liderlik Başkanı Lihong Wang tarafından yürütülen çalışma, laboratuvarın 2023’te tesadüfen kuantum mikroskobu (QMC) gösterimini temel alıyor. Yaklaşım, dolanıklık adı verilen tuhaf kuantum mekaniği fenomenlerinden birine dayanıyor; bu olayda iki parçacık, birbirlerinden ne kadar uzakta olursa olsun, bir parçacığın durumu diğerinin durumuna yakından bağlı olacak şekilde bağlanır.

QMC’de, bifoton adı verilen dolaşmış foton çiftleri, sinyal fotonu adı verilen bir fotonun numuneden geçerken, boşta kalan foton adı verilen dolaşmış ortağı ayrı bir paralel yol kat edecek şekilde bölünür. Bazı açılardan çift, tek bir fotonun iki katı momentuma sahip tek bir parçacık gibi davranıyor.

Kuantum mekaniği yasalarına göre bir parçacığın dalga boyu, parçacığın momentumuyla ters orantılıdır. Bu, bifoton çiftindeki fotonlardan herhangi birinin, orijinal ışığın yarısı kadar bir dalga boyunda etkili bir şekilde görüntü oluşturduğu anlamına gelir. Ve dalga boyu küçüldükçe mikroskop çözünürlüğü arttığından, bu durum çözünürlükte iki kat bir iyileşme yaratır.

Avareyi geri göndermek

Yeni kurulumda ekip, görüntülenecek nesnenin içinden yalnızca bir kez sinyal fotonunu geçirmeye devam ediyor. Ancak boştaki foton, detektöre ulaşmadan önce aynı mercek çiftinden üç kez geri yönlendirilir. Bu, bir manyetik alan uygulanarak ve bilim adamlarının, ışığın polarizasyon adı verilen bir özelliğini kontrol etmelerine yardımcı olan özel ışın bölücüler de dahil olmak üzere optik araçlar kullanılarak gerçekleştirilir; bu, kabaca bir ışık dalgasının elektrik alanının hareket ettiği yöndür.

Ekip, dergide yayınlanan bir makalede kurulumu ve deneysel doğrulamayı açıklıyor Bilim Gelişmeleri.

Aynı zamanda Caltech’te tıbbi mühendislikten sorumlu yönetici olan Wang, “Artık yeni bir fiziksel rejime girdik” diyor. “Genel olarak, insanlar tek bir foton çifti ile çözünürlüğü klasik kırınım sınırından en fazla iki kat artırabileceğinizi düşünüyor. Ancak biz bunun ötesine geçtik. Bu, yeni makalemizin en heyecan verici yönü, çünkü bizi daha da ileriye giderek -10 kat, hatta belki 100 kat- geliştirebileceğimiz bir yöne işaret ediyor.”

Dört kat kazancın test edilmesi

Wang ve ekibi, standart bir test hedefini klasik görüntüleme kurulumuyla, önceki iki katlı kuantum konfigürasyonuyla ve yeni üçlü geçiş konfigürasyonuyla görüntüleyerek yeni sistemin gücünü araştırdı. Hedefin kenarlarının keskinliğini ve ince özelliklerini ölçtüklerinde, iki katlı konfigürasyonun çözünürlüğü klasik görüntülemeye göre yaklaşık 1,8 kat artırdığını, yeni kurulumun ise yaklaşık dört kat iyileştirme sağladığını buldular.

Çalışmanın açık biyomedikal uygulamaları var. Standart yüksek çözünürlüklü retina görüntüleme bazen hastanın görüşünü geçici olarak etkileyebilecek kadar parlak bir ışık gerektirir. Yeni kuantum görüntüleme tekniğinde görüntüleme hedefine ulaşan ışık çok daha az yoğunlukta ve canlı dokuya zarar vermeyecek. Bilim insanları, yüksek çözünürlüklü, düşük ışıklı görüntülemenin, sonunda hücre çekirdeği ve mitokondri gibi daha ince yapıları hasara yol açmadan görmeyi mümkün kılabileceğini söylüyor.

Ayrıca, kalite kontrol görüntülemenin bazen klasik optiklerde zayıf çözünürlüğe yol açan daha uzun dalga boylarının kullanılmasını gerektirdiği yarı iletken cihazların muayenesinde de faydalı olabilir. Wang, aynı dalga boylarında dört kat çözünürlük iyileştirmesinin çiplerdeki kusurların tespitini önemli ölçüde artırabileceğini söylüyor.

Laboratuvarın takip ettiği bir önsezi

Wang, deneysel çalışmanın yeni yaklaşımı doğrulamasına rağmen ekibinin hala tekniğin çözünürlüğü artırma yeteneğini açıklayan teorik bir model geliştirmekte olduğunu belirtiyor. Aslında Wang, başlangıçta laboratuvarını bu yaklaşımı denemeye ikna etmekte zorlandığını söylüyor.

“Önceki teorimize dayanarak bunun mümkün olabileceğini düşündüm, ancak bu sadece bir önseziydi” diyor. “İnsanlar bunun riskli olduğunu düşündüler ama sonunda üzerinde çalışmaya başladılar. Bir gece doktora sonrası araştırmacılarımdan biri bana e-posta gönderdi ve ‘İşe yaradı!’ dedi. Çok güzel bir andı. Artık bunu gözlemlediğimize göre, bunu kesinlikle daha da ileriye taşımak istiyoruz.”