El microscopio mejorado cuánticamente duplica la resolución

Newswise – Utilizando un fenómeno “aterrador” de la física cuántica, los investigadores de Caltech han descubierto una forma de duplicar la resolución de los microscopios ópticos.

En un artículo publicado en la revista Naturaleza Comunicación, un equipo dirigido por Lihong Wang, profesor de ingeniería médica y eléctrica de Bren, muestra que se está logrando un salto cuántico en la microscopía a través de algo llamado entrelazamiento cuántico. El entrelazamiento cuántico es un fenómeno en el que dos partículas están vinculadas de tal manera que el estado de una partícula está vinculado al estado de la otra partícula, ya sea que las partículas estén cerca una de la otra o no. . Albert Einstein llamó al entrelazamiento cuántico “acción espeluznante a distancia” porque su teoría de la relatividad no podía explicarlo.

Según la teoría cuántica, cualquier tipo de partícula puede estar entrelazada. En el caso de la nueva técnica de microscopía de Wang, llamada microscopía de coincidencia cuántica (QMC), las partículas entrelazadas son fotones. En conjunto, dos fotones entrelazados se conocen como bifotón y, lo que es más importante para la microscopía de Wang, se comportan de alguna manera como una sola partícula que tiene el doble de impulso que un solo fotón.

Dado que la mecánica cuántica dice que todas las partículas también son ondas, y que la longitud de onda de una onda es inversamente proporcional al momento de la partícula, las partículas con momentos más grandes tienen longitudes de onda más pequeñas. Así, dado que un bifotón tiene el doble de la cantidad de movimiento de un fotón, su longitud de onda es la mitad de la de los fotones individuales.

Esta es la clave de cómo funciona QMC. Un microscopio solo puede obtener imágenes de las características de un objeto cuyo tamaño mínimo es la mitad de la longitud de onda de la luz utilizada por el microscopio. Reducir la longitud de onda de esta luz significa que el microscopio puede ver cosas aún más pequeñas, lo que da como resultado una mayor resolución.

El entrelazamiento cuántico no es la única forma de reducir la longitud de onda de la luz utilizada en un microscopio. La luz verde tiene una longitud de onda más corta que la luz roja, por ejemplo, y la luz violeta tiene una longitud de onda más corta que la luz verde. Pero debido a otra peculiaridad de la física cuántica, la luz con longitudes de onda más cortas transporta más energía. Entonces, una vez que te expones a la luz con una longitud de onda lo suficientemente pequeña como para obtener imágenes de cosas diminutas, la luz transporta tanta energía que dañará las cosas que se fotografían, especialmente los seres vivos como las células. Esta es la razón por la cual la luz ultravioleta (UV), que tiene una longitud de onda muy corta, produce quemaduras solares.

QMC elude esta limitación mediante el uso de bifotones que transportan la energía más baja de los fotones de longitud de onda más larga mientras que tienen la longitud de onda más corta de los fotones de energía más alta.

“A las células no les gusta la luz ultravioleta”, dice Wang. “Pero si podemos usar luz de 400 nanómetros para obtener una imagen de la célula y obtener el efecto de la luz de 200 nm, que es UV, las células estarán felices y obtendremos la resolución de UV”.

Para lograr esto, el equipo de Wang construyó un dispositivo óptico que hace brillar la luz láser en un tipo especial de cristal que convierte algunos de los fotones que pasan a través de él en bifotones. Incluso usando este cristal especial, la conversión es muy rara y ocurre en aproximadamente uno en un millón de fotones. Usando una serie de espejos, lentes y prismas, cada bifotón, que en realidad consta de dos fotones discretos, se divide y transporta a lo largo de dos caminos, de modo que uno de los fotones emparejados pasa a través del objeto fotografiado y el otro no. El fotón que atraviesa el objeto se denomina fotón señal, y el que no lo atraviesa se denomina fotón inactivo. Estos fotones luego continúan a través de otras ópticas hasta que llegan a un detector conectado a una computadora que construye una imagen de la celda basada en la información transportada por el fotón de la señal. Sorprendentemente, los fotones emparejados permanecen entrelazados como un bifotón que se comporta a la mitad de la longitud de onda a pesar de la presencia del objeto y sus caminos separados.

El laboratorio de Wang no fue el primero en trabajar en este tipo de imágenes de dos fotones, pero fue el primero en crear un sistema viable usando este concepto. “Hemos desarrollado lo que creemos que es una teoría rigurosa, así como un método más rápido y preciso para medir el enredo. Hemos logrado una resolución microscópica y células en imágenes.

Aunque no existe un límite teórico para la cantidad de fotones que se pueden entrelazar entre sí, cada fotón adicional aumentaría aún más el impulso del multifotón resultante y disminuiría aún más su longitud de onda.

Según Wang, la investigación futura podría permitir el enredo de aún más fotones, aunque señala que cada fotón adicional reduce aún más la probabilidad de un enredo exitoso, que, como se mencionó anteriormente, ya es tan bajo como una posibilidad en un millón.

El artículo que describe el trabajo, “Microscopía cuántica de células en el límite de Heisenberg”, aparece en la edición del 28 de abril de Naturaleza Comunicación. Los coautores son Zhe He y Yide Zhang, ambos asociados de investigación postdoctoral en ingeniería médica; el estudiante graduado de ingeniería médica Xin Tong (MS ’21); y Lei Li (PhD ’19), anteriormente investigadora postdoctoral en ingeniería médica y ahora profesora asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Rice.

La financiación para la investigación fue proporcionada por la Iniciativa Chan Zuckerberg y los Institutos Nacionales de Salud.