_ Utilizarea polarizării pentru a îmbunătăți Imagistica cuantică

Imagistica cuantică este un domeniu în creștere care profită de capacitatea contraintuitivă și „înfricoșătoare” a particulelor de lumină, sau fotonilor, de a deveni legate sau încurcate în circumstanțe specializate. Dacă starea unui foton din duoul încâlcit este modificată, la fel se modifică și celălalt, indiferent de cât de departe ar putea fi cei doi fotoni.

Cercetătorii de la Caltech au demonstrat în luna mai trecută cum o astfel de încurcătură ar putea dubla rezoluția clasică. microscoape ușoare, împiedicând, de asemenea, lumina unui sistem de imagistică să dăuneze probelor biologice fragile. Acum, aceeași echipă a îmbunătățit tehnica, făcând posibilă imaginea cuantică a bucăților întregi de organ și chiar a organismelor mici.

Condus de Lihong Wang, profesor de inginerie medicală și inginerie electrică Bren, noua lucrare folosește încurcarea – ceea ce Albert Einstein a descris cândva drept „acțiune înfricoșătoare la distanță” – pentru a controla nu numai culoarea și luminozitatea luminii care lovește o probă, ci și polarizarea acelei lumini.

„Noul nostru nostru tehnica are potențialul de a deschide calea pentru imagistica cuantică în multe domenii diferite, inclusiv imagistica biomedicală și, eventual, chiar și teledetecția spațiului”, spune Wang, care este, de asemenea, președintele de conducere în inginerie medicală Andrew și Peggy Cherng și ofițer executiv pentru inginerie medicală.

Ca și lungimea de undă și intensitatea, polarizarea este o proprietate fundamentală a luminii și reprezintă direcția în care componenta electrică a unei unde luminoase este orientată în raport cu direcția generală de deplasare a undei. Cea mai mare parte a luminii, inclusiv lumina soarelui, este nepolarizată, ceea ce înseamnă că undele sale electromagnetice se mișcă și călătoresc în toate direcțiile.

Cu toate acestea, filtrele numite polarizatori pot fi folosite pentru a crea fascicule de lumină cu o anumită polarizare. Un polarizator vertical, de exemplu, permite trecerea doar fotonilor cu polarizare verticală. Cele cu polarizare orizontală (însemnând că componenta electrică a undei luminoase este orientată orizontal față de direcția de mers) vor fi blocate. Orice lumină cu alte unghiuri de polarizare (între verticală și orizontală), va trece parțial. Rezultatul este un flux de lumină polarizată vertical.

Așa reduc strălucirea ochelarii de soare polarizați. Ei folosesc un strat chimic de polarizare verticală pentru a bloca lumina solară care a devenit polarizată orizontal prin reflectarea pe o suprafață orizontală, cum ar fi un lac sau un câmp înzăpezit. Aceasta înseamnă că purtătorul observă doar lumina polarizată vertical.

Atunci când modificările intensității luminii sau ale culorii nu sunt suficiente pentru a oferi oamenilor de știință imagini de calitate ale anumitor obiecte, controlul polarizării luminii într-un sistem de imagistică poate oferi uneori mai multe informații despre eșantion și oferă o modalitate diferită de a identifica contrastul dintre un eșantion și fundalul său. Detectarea modificărilor de polarizare cauzate de anumite probe poate oferi cercetătorilor și informații despre structura internă și comportamentul acelor materiale.

Cea mai nouă tehnică de microscopie a lui Wang, numită imagistica cuantică prin coincidență din încurcare (ICE), profită de perechi de fotoni încâlciți pentru a obține imagini cu rezoluție mai mare ale materialelor biologice, inclusiv mostre mai groase și pentru a face măsurători ale materialelor care au ceea ce oamenii de știință numesc proprietăți birefringente.

În loc să îndoaie constant undele de lumină care intră în același mod, așa cum fac majoritatea materialelor, materialele birefringente îndoaie acele unde în grade diferite, în funcție de polarizarea luminii și de direcția în care se deplasează. Cele mai comune materiale birefringente studiate de oamenii de știință sunt cristalele de calcit. Dar materialele biologice, cum ar fi celuloza, amidonul și multe tipuri de țesut animal, inclusiv colagenul și cartilajul, sunt, de asemenea, birefringente.

Dacă o probă cu proprietăți birefringente este plasată între doi polarizatori orientați la unghiuri de 90 de grade unul față de celălalt, o parte din lumina care trece prin eșantion va fi modificată în polarizarea acesteia și, prin urmare, va ajunge la detector, chiar dacă toate celelalte lumini care intră ar trebui să fie blocate de cele două polarizatoare. Lumina detectată poate furniza apoi informații despre structura probei. În știința materialelor, de exemplu, oamenii de știință folosesc măsurătorile birefringenței pentru a înțelege mai bine zonele în care stresul mecanic se acumulează în materiale plastice.

În configurația ICE a lui Wang, lumina este trecută mai întâi printr-un polarizator și apoi printr-un pereche de cristale speciale de borat de bariu, care vor crea ocazional o pereche de fotoni încâlciți; se produce aproximativ o pereche pentru fiecare milion de fotoni care trec prin cristale. De acolo, cei doi fotoni încâlciți se vor ramifica și vor urma unul dintre cele două brațe ale sistemului: unul va călători drept înainte, urmând ceea ce se numește brațul inactiv, în timp ce celălalt urmărește o cale mai întortocheată numită brațul de semnal care face ca fotonul să se întoarcă. trec prin obiectul de interes.

În final, ambii fotoni trec printr-un polarizator suplimentar înainte de a ajunge la doi detectoare, care înregistrează timpul de sosire a fotonilor detectați. Aici, totuși, are loc un efect cuantic „înfricoșător” din cauza naturii încurcate a fotonilor: detectorul din brațul de repaus poate acționa ca un „pinhole” virtual și „selector de polarizare” pe brațul semnalului, afectând instantaneu locația și polarizarea. a incidentului fotonului asupra obiectului din brațul de semnal.

„În configurația ICE, detectoarele din brațele de semnal și cele de repaus funcționează ca niște găuri „reale” și, respectiv, „virtuale”,” spune Yide Zhang , autor principal al noii lucrări publicate în Science Advances și un stagiar postdoctoral în inginerie medicală la Caltech. „Această configurație de orificiu dublu îmbunătățește rezoluția spațială a obiectului fotografiat în brațul de semnal. În consecință, ICE atinge o rezoluție spațială mai mare decât imagistica convențională care utilizează un singur orificiu în brațul de semnal.”

„Deoarece fiecare încurcat perechea de fotoni ajunge întotdeauna la detectoare în același timp, putem suprima zgomotele din imagine cauzate de fotoni aleatori”, adaugă Xin Tong, coautor al studiului și student absolvent în inginerie medicală și electrică la Caltech.

Pentru a determina proprietățile birefringente ale unui material cu o configurație clasică de microscopie, oamenii de știință trec de obicei prin diferite stări de intrare, iluminând un obiect separat cu lumină polarizată orizontal, vertical și diagonal și apoi măsurând stările de ieșire corespunzătoare cu un detector. . Scopul este de a măsura modul în care birefringența eșantionului modifică imaginea pe care o primește detectorul în fiecare dintre acele stări. Aceste informații îi informează pe oamenii de știință despre structura eșantionului și pot oferi imagini care altfel nu ar fi posibile.

Deoarece încrucișarea cuantică permite ca fotonii perechi să fie legați, indiferent cât de departe ar fi, Wang își imaginează deja cum ar putea fi folosit noul său sistem pentru a face măsurători birefringenței în spațiu.

Luați în considerare o situație în care ceva de interes, poate un mediu interstelar, este situat la ani lumină distanță de Pământ. Un satelit din spațiu ar putea fi poziționat astfel încât să poată emite perechi de fotoni încâlciți folosind tehnica ICE, cu două stații terestre acționând ca detectoare.

Distanța mare până la satelit ar face imposibilă trimiterea oricărui tip de semnal pentru a regla polarizarea sursei dispozitivului. Cu toate acestea, din cauza încurcăturii, schimbarea stării de polarizare în brațul de loc va fi echivalentă cu schimbarea polarizării sursei de lumină înainte ca fasciculul să lovească obiectul.

„Folosind tehnologia cuantică, aproape instantaneu, putem face modificări stării de polarizare a fotonilor, indiferent unde se află”, spune Wang. „Tehnologiile cuantice sunt viitorul. Din curiozitate științifică, trebuie să explorăm această direcție.”

(Fluierul)