De unieke eigenschappen van de kwantumfysica kunnen een al lang bestaand probleem helpen oplossen dat verhindert dat microscopen scherpere beelden op de kleinste schaal produceren, zeggen onderzoekers.

De doorbraak, waarbij verstrengelde fotonen worden gebruikt om een ​​nieuwe methode te creëren voor het corrigeren van beeldvervormingen in microscopen, zou kunnen leiden tot verbeterde klassieke microscoopbeeldvorming van weefselmonsters om medisch onderzoek vooruit te helpen.

Het zou ook kunnen leiden tot nieuwe ontwikkelingen op het gebied van kwantummicroscopie voor gebruik op een breed scala aan gebieden. Het artikel van het team, getiteld 'Adaptive Optical Imaging with Entangled Photons', is gepubliceerd in Science . Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge en het Laboratoire Kastler Brossel in Frankrijk hebben ook bijgedragen aan het onderzoek.

Microscopen zijn al honderden jaren van onschatbare waarde voor wetenschappers. Vooruitgang in de optica heeft onderzoekers in staat gesteld steeds gedetailleerdere beelden van de fundamentele structuren van cellen en materialen op te lossen.

Naarmate microscopen zich echter steeds complexer hebben ontwikkeld, lopen ze tegen de grenzen van de conventionele optische technologie aan, waarbij zelfs kleine foutjes in de elementen die beelden oplossen, wazige beelden kunnen opleveren.

Momenteel wordt een proces genaamd adaptieve optica gebruikt om beeldvervormingen veroorzaakt door aberraties te corrigeren. Afwijkingen kunnen worden veroorzaakt door kleine onvolkomenheden in lenzen en andere optische componenten of door gebreken in het monster onder de microscoop.

De sleutel tot adaptieve optica is een ‘gidsster’:een lichtpuntje dat in het monster onder de microscoop wordt geïdentificeerd en dat een referentiepunt vormt voor het detecteren van aberraties. Apparaten die ruimtelijke lichtmodulatoren worden genoemd, kunnen vervolgens het licht vormgeven en deze vervormingen corrigeren.

Het vertrouwen op gidssterren levert problemen op voor microscopen die monsters zoals cellen en weefsels in beeld brengen die geen heldere vlekken bevatten. Wetenschappers hebben stervrije adaptieve optica ontwikkeld met behulp van beeldverwerkingsalgoritmen, maar deze kunnen falen voor monsters met complexe structuren.

In het nieuwe artikel schetsen onderzoekers uit het Verenigd Koninkrijk en Frankrijk hoe ze verstrengelde fotonen gebruikten om aberraties waar te nemen en te corrigeren die normaal gesproken microscoopbeelden vervormen. Ze noemen het proces kwantumondersteunde adaptieve optica.

Het artikel beschrijft hoe ze hun nieuwe techniek gebruiken om vervorming te corrigeren en hogeresolutiebeelden op te halen van biologische testmonsters:het mondstuk en de poot van een honingbij. Ze demonstreren ook aberratiecorrectie voor monsters met driedimensionale structuren – een situatie waarin klassieke adaptieve optica vaak faalt.

Ze gebruikten verstrengelde fotonparen om de monsters te verlichten, waardoor ze een conventioneel beeld konden vastleggen en tegelijkertijd de kwantumcorrelaties konden meten.

Wanneer de verstrengelde fotonparen aberratie tegenkomen, wordt hun verstrengeling – in de vorm van kwantumcorrelaties – gedegradeerd. De onderzoekers laten zien dat de manier waarop deze kwantumcorrelaties worden afgebroken feitelijk informatie over de aberraties onthult en het mogelijk maakt dat deze worden gecorrigeerd met behulp van geavanceerde computeranalyses.

De informatie in de correlaties maakt een nauwkeurige karakterisering van aberraties mogelijk, waardoor correctie achteraf met een ruimtelijke lichtmodulator mogelijk wordt. Het artikel laat zien dat de correlaties kunnen worden gebruikt om duidelijkere beelden met een hogere resolutie te produceren dan conventionele helderveldmicroscopietechnieken.

Patrick Cameron, van de School of Physics &Astronomy van de Universiteit van Glasgow, is de eerste auteur van het artikel. Hij zei:"Complexe monsters zoals biologische weefsels kunnen een uitdaging zijn om in beeld te brengen met behulp van conventionele benaderingen van microscopie, waarbij de heldere stertechniek kan falen omdat er zelden natuurlijke heldere plekken in menselijk of dierlijk weefsel voorkomen.

“Dit onderzoek toont aan dat kwantum-verstrengelde lichtbronnen kunnen worden gebruikt om monsters te onderzoeken op manieren die veel uitdagender, zo niet onmogelijk zijn, met traditionele microscopie. Door aberraties en vervormingen met verstrengelde fotonen te identificeren en te corrigeren, konden we scherpere beelden produceren zonder de behoefte aan een gidsster."

Dr. Hugo Defienne begon te werken aan het onderzoek aan de School of Physics &Astronomy van de Universiteit van Glasgow voordat hij verhuisde naar het Paris Institute of Nanosciences aan de Sorbonne Universiteit, waar hij nu is gevestigd. Dr. Defienne, de laatste auteur van het artikel, zei:"Deze nieuwe techniek zou breed kunnen worden toegepast op allerlei conventionele optische microscopen om de beeldvorming van een breed scala aan monsters te helpen verbeteren. We hebben de effectiviteit ervan aangetoond op biologische monsters, wat suggereert dat het zou kunnen in de toekomst gebruikt worden in de medische en biologische sectoren.

"Het zou ook kunnen worden toegepast op het opkomende gebied van de kwantummicroscopie, dat een enorm potentieel heeft om beelden te produceren die verder gaan dan de grenzen van klassiek licht."

Het team moet nog een aantal technische hindernissen overwinnen voordat de techniek op grote schaal kan worden toegepast in optische microscopen.

Professor Daniele Faccio, hoofd van de Extreme Light-onderzoeksgroep van de Universiteit van Glasgow, is co-auteur van het artikel. Hij zei:"De volgende generatie camera's en lichtbronnen zal waarschijnlijk helpen de snelheid te verbeteren waarmee beelden kunnen worden opgelost met behulp van deze techniek. We zullen blijven werken aan het verfijnen en ontwikkelen van het proces en kijken uit naar het vinden van nieuwe toepassingen in de echte wereld voor geavanceerde microscopie naarmate we verder komen."

Meer informatie: Patrick Cameron et al., Adaptieve optische beeldvorming met verstrengelde fotonen, Wetenschap (2024). DOI:10.1126/science.adk7825

Aangeboden door Universiteit van Glasgow