Verstrengelde fotonen kunnen worden gebruikt om beeld- en meettechnieken te verbeteren. Een team van onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF in Jena heeft een kwantumbeeldvormingsoplossing ontwikkeld die zeer gedetailleerde inzichten in weefselmonsters mogelijk maakt met behulp van extreme spectrale bereiken en minder licht.

Terwijl optische analysetechnieken zoals microscopie en spectroscopie uiterst efficiënt zijn in zichtbare golflengtebereiken, ze bereiken snel hun grenzen in het infrarood- of terahertz-bereik. Dat, echter, is precies waar waardevolle informatie verborgen is. Bijvoorbeeld, biologische stoffen zoals eiwitten, lipiden en andere biochemische componenten kunnen worden onderscheiden op basis van hun karakteristieke moleculaire trillingen. Deze trillingen worden gestimuleerd door licht in het midden-infrarood tot terahertz-bereik en zijn zeer moeilijk te detecteren met conventionele meettechnieken. "Als deze bewegingen kunnen worden opgevangen of opgewekt, zou het mogelijk zijn om precies te zien hoe bepaalde eiwitten, lipiden en andere stoffen worden verdeeld in celmonsters. Bijvoorbeeld, sommige soorten kanker hebben een karakteristieke concentratie of expressie van bepaalde eiwitten. Hierdoor zou de ziekte efficiënter kunnen worden opgespoord en behandeld. Een nauwkeurigere kennis van de distributie van biostoffen zou grote vooruitgang kunnen opleveren in het geneesmiddelenonderzoek, ook, " zegt kwantumonderzoeker Dr. Markus Gräfe van Fraunhofer IOF.

Verstrengelde fotonen - tweelingen maar toch anders

Maar hoe kan informatie uit deze extreme golflengtebereiken zichtbaar worden gemaakt? Het kwantummechanische effect van fotonenverstrengeling helpt de onderzoekers om dubbele lichtbundels met verschillende golflengten te benutten. In een interferometrische opstelling, een laserstraal wordt door een niet-lineair kristal gestuurd waarin het twee verstrengelde lichtstralen genereert. Deze twee stralen kunnen zeer verschillende golflengten hebben, afhankelijk van de eigenschappen van het kristal, maar ze zijn nog steeds met elkaar verbonden vanwege hun verstrengeling.

"Dus nu, terwijl één fotonenstraal in het onzichtbare infraroodbereik naar het object wordt gestuurd voor verlichting en interactie, de dubbele bundel in het zichtbare spectrum wordt vastgelegd door een camera. Omdat de verstrengelde lichtdeeltjes dezelfde informatie dragen, er wordt een beeld gegenereerd, ook al heeft het licht dat de camera bereikt nooit interactie gehad met het eigenlijke object, " legt Gräfe uit. De zichtbare tweeling geeft in wezen inzicht in wat er met de onzichtbare tweeling gebeurt.

Hetzelfde principe kan ook worden gebruikt in het ultraviolette spectrum:UV-licht beschadigt cellen gemakkelijk, dus levende monsters zijn extreem gevoelig voor dat licht. Dit beperkt de beschikbare tijd voor onderzoek aanzienlijk, bijvoorbeeld, celprocessen die enkele uren of langer duren. Omdat minder licht en kleinere stralingsdoses weefselcellen binnendringen tijdens kwantumbeeldvorming, ze kunnen gedurende langere perioden met hoge resolutie worden waargenomen en geanalyseerd zonder ze te vernietigen.

Kleine montage en kleine structuren

"We zijn in staat om aan te tonen dat het hele complexe proces op een robuuste, compact en draagbaar, ", zegt Gräfe. De onderzoekers zijn momenteel bezig om het systeem nog compacter te maken, krimpen tot de grootte van een schoenendoos, en om de resolutie verder te verbeteren. De volgende stap die ze hopen te bereiken is, bijvoorbeeld, een quantum scanning microscoop. In plaats van dat het beeld wordt vastgelegd met een groothoekcamera, het wordt gescand, vergelijkbaar met een laserscanmicroscoop. De onderzoekers verwachten dat dit nog hogere resoluties oplevert van minder dan één micrometer (1 µm), waardoor het onderzoek van structuren binnen individuele cellen in nog meer detail. Gemiddeld, één cel is ongeveer tien micrometer groot. Op de lange termijn, ze willen dat kwantumbeeldvorming als basistechnologie wordt geïntegreerd in bestaande microscopiesystemen, waardoor de drempels voor gebruikers in de industrie worden verlaagd.

De demonstrator is een van de resultaten van het Fraunhofer-vuurtorenproject QUILT, die de kwantumoptica-expertise van de Fraunhofer Institutes for Applied Optics and Precision Engineering IOF bundelt, voor fysieke meettechnieken IPM, voor micro-elektronische schakelingen en systemen IMS, voor industriële wiskunde ITWM, van optronica, Systeemtechnologieën en beeldexpositie IOSB en voor lasertechnologie ILT.