Wetenschap
Polarisatie gebruiken om kwantumbeeldvorming te verbeteren
Kwantumbeeldvorming is een groeiend vakgebied dat gebruik maakt van het contra-intuïtieve en ‘spookachtige’ vermogen van lichtdeeltjes, of fotonen, om onder gespecialiseerde omstandigheden met elkaar verbonden of verstrikt te raken. Als de toestand van één foton in het verstrengelde duo wordt aangepast, geldt dat ook voor de andere, ongeacht hoe ver de twee fotonen uit elkaar liggen.
Caltech-onderzoekers hebben afgelopen mei aangetoond hoe een dergelijke verstrengeling de resolutie van klassieke lichtmicroscopen kan verdubbelen en tegelijkertijd kan voorkomen dat het licht van een beeldvormingssysteem kwetsbare biologische monsters beschadigt. Nu heeft hetzelfde team de techniek verbeterd, waardoor het mogelijk wordt om hele orgaanschijfjes en zelfs kleine organismen in kwantumbeeld te brengen.
Onder leiding van Lihong Wang, de Bren-hoogleraar Medische Technologie en Elektrotechniek, maakt het nieuwe werk gebruik van verstrengeling – wat Albert Einstein ooit beroemd omschreef als ‘spookachtige actie op afstand’ – om niet alleen de kleur en helderheid van het licht dat op een monster valt te controleren. , maar ook de polarisatie van dat licht.
"Onze nieuwe techniek heeft het potentieel om de weg vrij te maken voor kwantumbeeldvorming op veel verschillende gebieden, waaronder biomedische beeldvorming en mogelijk zelfs ruimtewaarneming op afstand", zegt Wang, tevens Andrew en Peggy Cherng Medical Engineering Leadership Chair en uitvoerend functionaris voor medische zorg. techniek.
Net als golflengte en intensiteit is polarisatie een fundamentele eigenschap van licht en geeft aan in welke richting de elektrische component van een lichtgolf is georiënteerd ten opzichte van de algemene bewegingsrichting van de golf. Het meeste licht, inclusief zonlicht, is niet-gepolariseerd, wat betekent dat de elektromagnetische golven zich in alle richtingen bewegen.
Er kunnen echter filters worden gebruikt die polarisatoren worden genoemd om lichtbundels met één specifieke polarisatie te creëren. Een verticale polarisator laat bijvoorbeeld alleen fotonen met verticale polarisatie door. Degenen met horizontale polarisatie (wat betekent dat de elektrische component van de lichtgolf horizontaal is georiënteerd ten opzichte van de reisrichting) zullen worden geblokkeerd. Al het licht met andere polarisatiehoeken (tussen verticaal en horizontaal) zal gedeeltelijk doordringen. Het resultaat is een stroom verticaal gepolariseerd licht.
Dit is hoe gepolariseerde zonnebrillen schittering verminderen. Ze gebruiken een verticaal polariserende chemische coating om zonlicht te blokkeren dat horizontaal gepolariseerd is geworden door weerkaatsing op een horizontaal oppervlak, zoals een meer of een besneeuwd veld. Dit betekent dat de drager alleen verticaal gepolariseerd licht waarneemt.
Wanneer veranderingen in de lichtintensiteit of kleur niet voldoende zijn om wetenschappers kwaliteitsbeelden van bepaalde objecten te geven, kan het controleren van de polarisatie van het licht in een beeldvormingssysteem soms meer informatie over het monster opleveren en een andere manier bieden om het contrast tussen een monster en zijn materiaal te identificeren. achtergrond. Het detecteren van de veranderingen in polarisatie veroorzaakt door bepaalde monsters kan onderzoekers ook informatie geven over de interne structuur en het gedrag van die materialen.
Wang's nieuwste microscopietechniek, quantum imaging by accident from entanglement (ICE) genoemd, maakt gebruik van verstrengelde fotonparen om beelden met een hogere resolutie te verkrijgen van biologische materialen, inclusief dikkere monsters, en om metingen uit te voeren aan materialen die hebben wat wetenschappers dubbelbrekende eigenschappen noemen.
In plaats van de binnenkomende lichtgolven consequent op dezelfde manier te buigen, zoals de meeste materialen doen, buigen dubbelbrekende materialen die golven in verschillende mate, afhankelijk van de polarisatie van het licht en de richting waarin het zich voortplant. De meest voorkomende dubbelbrekende materialen die door wetenschappers zijn bestudeerd, zijn calcietkristallen. Maar biologische materialen, zoals cellulose, zetmeel en vele soorten dierlijk weefsel, waaronder collageen en kraakbeen, zijn ook dubbelbrekend.
Als een monster met dubbelbrekende eigenschappen tussen twee polarisatoren wordt geplaatst die in een hoek van 90 graden ten opzichte van elkaar zijn georiënteerd, zal een deel van het licht dat door het monster gaat in polarisatie veranderen en daardoor de detector bereiken, ook al zal al het andere licht door het monster gaan. binnenkomend licht moet worden geblokkeerd door de twee polarisatoren. Het gedetecteerde licht kan vervolgens informatie verschaffen over de structuur van het monster. In de materiaalkunde gebruiken wetenschappers bijvoorbeeld dubbele brekingsmetingen om een beter inzicht te krijgen in de gebieden waar mechanische spanning in kunststoffen ontstaat.
In de ICE-opstelling van Wang wordt licht eerst door een polarisator geleid en vervolgens door een paar speciale bariumboraatkristallen, die af en toe een verstrengeld fotonpaar zullen creëren; Er wordt ongeveer één paar geproduceerd voor elke miljoen fotonen die door de kristallen gaan. Van daaruit zullen de twee verstrengelde fotonen zich aftakken en een van de twee armen van het systeem volgen:de ene zal rechtdoor reizen, wat de vrijlooparm wordt genoemd, terwijl de andere een meer omslachtig pad volgt, de signaalarm genaamd, die ervoor zorgt dat het foton ga door het object van interesse.
Ten slotte gaan beide fotonen door een extra polarisator voordat ze twee detectoren bereiken, die het tijdstip van aankomst van de gedetecteerde fotonen registreren. Hier treedt echter een ‘spookachtig’ kwantumeffect op vanwege de verstrengelde aard van de fotonen:de detector in de vrijlooparm kan fungeren als een virtuele ‘pinhole’ en ‘polarisatieselector’ op de signaalarm, waardoor de locatie en polarisatie onmiddellijk worden beïnvloed. van het foton dat op het object in de signaalarm valt.
"In de ICE-opstelling functioneren de detectoren in de signaal- en vrijlooparmen respectievelijk als 'echte' en 'virtuele' gaatjes", zegt Yide Zhang, hoofdauteur van het nieuwe artikel gepubliceerd in Science Advances en een postdoctoraal fellowship-stagiaire in medische technologie bij Caltech. "Deze dubbele pinhole-configuratie verbetert de ruimtelijke resolutie van het object dat in de signaalarm wordt afgebeeld. Bijgevolg bereikt ICE een hogere ruimtelijke resolutie dan conventionele beeldvorming waarbij gebruik wordt gemaakt van een enkel pinhole in de signaalarm."
"Aangezien elk verstrengeld fotonpaar altijd op hetzelfde moment bij de detectoren arriveert, kunnen we ruis in het beeld onderdrukken die wordt veroorzaakt door willekeurige fotonen", zegt Xin Tong, co-auteur van het onderzoek en afgestudeerd student medische en elektrotechniek aan Caltech. .
Om de dubbelbrekende eigenschappen van een materiaal te bepalen met een klassieke microscopie-opstelling, schakelen wetenschappers doorgaans door verschillende ingangstoestanden, waarbij ze een object afzonderlijk belichten met horizontaal, verticaal en diagonaal gepolariseerd licht, en vervolgens de overeenkomstige uitgangstoestanden meten met een detector. Het doel is om te meten hoe de dubbele breking van het monster het beeld verandert dat de detector in elk van deze toestanden ontvangt. Deze informatie informeert wetenschappers over de structuur van het monster en kan beelden opleveren die anders niet mogelijk zouden zijn.
Omdat kwantumverstrengeling het mogelijk maakt om gepaarde fotonen met elkaar te verbinden, hoe ver ze ook van elkaar verwijderd zijn, stelt Wang zich nu al voor hoe zijn nieuwe systeem gebruikt zou kunnen worden om dubbele brekingsmetingen in de ruimte uit te voeren.
Beschouw een situatie waarin iets interessants, misschien een interstellair medium, zich op lichtjaren afstand van de aarde bevindt. Een satelliet in de ruimte kan zo worden gepositioneerd dat hij verstrengelde fotonparen kan uitzenden met behulp van de ICE-techniek, waarbij twee grondstations als detectoren fungeren.
De grote afstand tot de satelliet zou het onpraktisch maken om welk signaal dan ook te verzenden om de bronpolarisatie van het apparaat aan te passen. Als gevolg van verstrengeling zou het veranderen van de polarisatietoestand in de spanarm echter gelijk staan aan het veranderen van de polarisatie van het bronlicht voordat de straal het object raakt.
"Met behulp van kwantumtechnologie kunnen we vrijwel onmiddellijk veranderingen aanbrengen in de polarisatietoestand van de fotonen, waar ze zich ook bevinden", zegt Wang. "Kwantumtechnologieën zijn de toekomst. Uit wetenschappelijke nieuwsgierigheid moeten we deze richting verkennen."