O mais recente avanço em um novo tipo de ótica que visa aprimorar a microscopia começou com uma partida de tênis há três anos.

Relaxando após um longo dia de pesquisa em seus respectivos laboratórios, Mooseok Jang (Ph.D. '16) e Yu Horie (que receberá seu Ph.D. em junho de 2018) - na época, ambos estudantes de graduação na Caltech - se encontraram para uma partida de tênis nas quadras do Braun Athletic Center da Caltech.

Jang, um aluno de Changhuei Yang - o professor Thomas G. Myers de Engenharia Elétrica, Bioengenharia, e a Engenharia Médica na Divisão de Engenharia e Ciências Aplicadas - estavam trabalhando em uma tecnologia de microscopia nascente que usa dispersão de luz para contornar a compensação tradicional entre resolução (a quantidade de detalhes que você captura) e campo de visão (a área que você captura). A pesquisa encontrou um obstáculo:as ferramentas que estavam sendo usadas para espalhar a luz eram difíceis de prever e não confiáveis.

Durante a partida de tênis, Jang descreveu este enigma frustrante para Horie, um aluno do Professor Assistente de Física Aplicada e Ciência dos Materiais Andrei Faraon (BS '04). No laboratório de Faraon, Horie trabalhou em metasuperfícies, que são folhas de material cujas propriedades eletromagnéticas podem ser alteradas sob demanda. Faraon, um engenheiro nanofotônico, cria metassuperfícies que são cravejadas com postes em nanoescala feitos de nitreto de silício. Esses nanoposts são capazes de manipular a luz com um alto grau de precisão, por exemplo, para dobrar a luz como uma lente ou codificar hologramas em uma superfície plana. À medida que a conversa migrava das quadras de tênis para o café no Red Door Marketplace em Caltech, Jang e Horie perceberam que a experiência de seus respectivos laboratórios poderia ser combinada para criar um ambiente mais confiável, material de dispersão de luz previsível.

"Enquanto conversávamos, ficou claro que poderíamos trabalhar juntos para resolver esse problema, "Jang diz.

A prática de espalhar luz para obter uma imagem de alta resolução com um amplo campo de visão parece contra-intuitiva, mas as demonstrações ao longo da última década mostraram que pode ser eficaz. Embora a luz espalhada não se propague de uma maneira simples como a luz que passa por uma lente, pode ser processado para focagem óptica de alta resolução e imagem usando um dispositivo chamado modulador de luz espacial (SLM), que encurrala e direciona os componentes dispersos brutos para permitir o controle óptico de alta fidelidade. O resultado é uma imagem com um número maior de pontos focais resolvíveis que estão espalhados por um campo de visão mais amplo, em outras palavras, um mais claro, imagem mais ampla.

O problema, Contudo, é que essa estratégia é difícil de implementar na prática, ao ponto da inutilidade. Para dar sentido à luz embaralhada, o SLM precisa saber exatamente como foi afetado pelo meio de espalhamento. Diferentes tipos de mídia de dispersão atualmente em uso - incluindo fita adesiva - estão cheios de partículas suspensas localizadas aleatoriamente. Quando um pedaço de fita é colocado no caminho de um feixe de luz, essas partículas fazem um ótimo trabalho de espalhar luz de forma aleatória, qual é o objetivo. Contudo, por causa da natureza aleatória inerente de sua localização na fita, pode levar semanas para o processo de medição caracterizar totalmente a dispersão e permitir o foco de alta qualidade sobre o número máximo de pontos individuais em uma imagem. Pior, as partículas suspensas têm o péssimo hábito de migrar na fita, mesmo durante o processo de calibração, que tem o potencial de tornar o processo de medição meticulosamente longo sem valor no momento em que for concluído.

Com um meio de dispersão como fita adesiva, esta caracterização tradicionalmente significa calibrar o meio projetando imagens conhecidas através dele usando o SLM e, em seguida, trabalhar de trás para frente para determinar a ação do meio na luz que entra - repetindo esse processo uma e outra vez para caracterizar completamente o meio.

Contudo, usando as metassuperfícies geradas no laboratório de Faraon - materiais que espalham luz de maneiras totalmente previsíveis - o tempo de calibração pode cair de horas para apenas minutos, converter o processo de medição demorado em um procedimento de alinhamento simples. Como um bônus adicional, a recalibração nunca seria necessária.

"Acho que o Dr. Yang e seus colegas estavam céticos no início de que poderíamos controlar a luz com tanta precisão usando essas metassuperfícies, "Horie diz. Eles acabaram se convencendo, Contudo, e em um artigo publicado na Nature Photonics este mês, os dois laboratórios demonstram a produção de uma imagem de alta resolução - correspondendo a uma abertura numérica maior que 0,5 - com um campo de visão relativamente amplo (8 milímetros). A imagem tinha cerca de 2,2 bilhões de pontos focais individuais. Para comparação, um microscópio típico de alta qualidade com a mesma abertura numérica produz uma ordem de magnitude a menos de pontos focais.

Com melhorias contínuas como essa, cientistas e patologistas serão capazes de escanear amostras com microscópios mais rapidamente e em uma resolução mais alta.

“A esperança é que o nosso trabalho desperte ainda mais o interesse nesta área da óptica e torne este tipo de microscopia e suas vantagens viáveis ​​para a prática, uso diário, não apenas como uma prova de conceito, "diz Josh Brake (MS '16), um estudante de graduação no laboratório de Yang que continua a trabalhar no projeto com Faraon e Yang.

Desde sua colaboração inovadora, Jang e Horie terminaram seu trabalho de doutorado e seguiram caminhos separados:Jang voltou para sua Coréia natal, onde ele continua sua pesquisa como parte do serviço militar obrigatório, enquanto Horie arrumava um emprego na Apple. Os dois mantêm contato, no entanto. E ambos ainda jogam tênis.

O artigo da Nature Photonics é intitulado "Wavefront modelagem com metassuperfícies projetadas por desordem."