Utilizzando un fenomeno “spettrale” della fisica quantistica, i ricercatori del Caltech hanno scoperto un modo per raddoppiare la risoluzione dei microscopi ottici.
In un articolo apparso sulla rivista Comunicazioni sulla naturaun team guidato da Lihong Wang, Bren Professor of Medical Engineering and Electrical Engineering, mostra il raggiungimento di un balzo in avanti nella microscopia attraverso quello che è noto come entanglement quantistico.
Entanglement quantistico è un fenomeno in cui due particelle sono collegate in modo tale che lo stato di una particella sia legato all’altra indipendentemente dal fatto che le particelle siano vicine l’una all’altra. Albert Einstein notoriamente si riferiva all’entanglement quantistico come “azione spettrale a distanza” perché la sua teoria della relatività non poteva spiegarlo.
L’apparato di microscopia quantistica. Credito immagine: Lance Hayashida/Caltech
Secondo la teoria quantistica, qualsiasi tipo di particella può essere entangled. Nel caso della nuova tecnica di microscopia di Wang, soprannominata microscopia quantistica per coincidenza (QMC), le particelle entangled sono fotoni. Collettivamente, due fotoni entangled sono noti come bifotone.
Cosa importante per la microscopia di Wang, si comportano in qualche modo come una singola particella che ha il doppio della quantità di moto di un singolo fotone.
Poiché la meccanica quantistica afferma che tutte le particelle sono anche onde e che la lunghezza d’onda di un’onda è inversamente proporzionale alla quantità di moto della particella, le particelle con quantità di moto maggiori hanno lunghezze d’onda minori. Quindi, poiché un bifotone ha il doppio della quantità di moto di un fotone, la sua lunghezza d’onda è la metà di quella dei singoli fotoni.
Il gruppo di ricerca. Credito immagine: Caltech
Questa è la chiave del funzionamento di QMC. Un microscopio può solo visualizzare le caratteristiche di un oggetto la cui dimensione minima il microscopio utilizza la metà della lunghezza d’onda della luce. Ridurre la lunghezza d’onda di quella luce significa che il microscopio può vedere cose ancora più piccole, il che si traduce in una maggiore risoluzione.
L’entanglement quantistico non è l’unico modo per ridurre la lunghezza d’onda della luce utilizzata in un microscopio. La luce verde ha una lunghezza d’onda più corta della luce rossa, per esempio, e la luce viola ha una lunghezza d’onda più corta della luce verde. Ma a causa di un’altra stranezza della fisica quantistica, la luce con lunghezze d’onda più corte trasporta più energia.
Quindi, una volta che si arriva alla luce con una lunghezza d’onda abbastanza piccola da immaginare cose minuscole, la luce trasporta così tanta energia che danneggerà gli oggetti che vengono ripresi, specialmente gli esseri viventi come le cellule. Questo è il motivo per cui la luce ultravioletta (UV), che ha una lunghezza d’onda molto corta, provoca scottature.
QMC aggira questo limite utilizzando bifotoni che trasportano l’energia inferiore dei fotoni a lunghezza d’onda più lunga pur avendo la lunghezza d’onda più corta dei fotoni a energia più elevata.
“Le cellule non amano la luce UV”, dice Wang. “Ma se possiamo usare la luce a 400 nanometri per visualizzare la cella e ottenere l’effetto della luce a 200 nm, che è UV, le cellule saranno felici e otterremo la risoluzione dell’UV”.
Per raggiungere questo obiettivo, il team di Wang ha costruito un apparato ottico che emette luce laser in uno speciale tipo di cristallo che converte alcuni dei fotoni che lo attraversano in bifotoni. Anche usando questo cristallo speciale, la conversione è molto rara e avviene in circa un fotone su un milione.
Utilizzando una serie di specchi, lenti e prismi, ogni bifotone, che in realtà consiste di due fotoni discreti, viene diviso e spostato lungo due percorsi, in modo che uno dei fotoni accoppiati passi attraverso l’oggetto ripreso e l’altro no. Il fotone che passa attraverso l’oggetto è chiamato fotone segnale, e quello che non lo fa è chiamato fotone pigro.
Questi fotoni poi proseguono attraverso più ottiche fino a raggiungere un rilevatore collegato a un computer che costruisce un’immagine della cellula basata sulle informazioni trasportate dal fotone segnale. Sorprendentemente, i fotoni accoppiati rimangono intrappolati come un bifotone che si comporta a metà della lunghezza d’onda nonostante la presenza dell’oggetto e i loro percorsi separati.
Un diagramma dell’apparato di microscopia quantistica. Credito immagine: Caltech
Il laboratorio di Wang non è stato il primo a lavorare su questo tipo di imaging bifotone, ma il primo a creare un sistema praticabile utilizzando il concetto. “Abbiamo sviluppato quella che crediamo sia una teoria rigorosa, nonché un metodo di misurazione dell’entanglement più rapido e accurato. Abbiamo raggiunto una risoluzione microscopica e immagini di cellule”.
Immagini di prova al microscopio. Credito immagine: Caltech
Sebbene non vi sia alcun limite teorico al numero di fotoni che possono essere intrecciati tra loro, ogni fotone aggiuntivo aumenterebbe ulteriormente la quantità di moto del multifotone risultante riducendone ulteriormente la lunghezza d’onda.
Wang afferma che la ricerca futura potrebbe consentire l’entanglement di ancora più fotoni, anche se osserva che ogni fotone in più riduce ulteriormente la probabilità di un entanglement riuscito, che, come accennato in precedenza, è già una possibilità su un milione.
Scritto da Emily Velasco
Fonte: Caltech
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org