ICE de uma fatia de cérebro de rato. Crédito:Avanços da Ciência (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk1495 A imagem quântica é um campo em crescimento que aproveita a capacidade contra-intuitiva e “assustadora” das partículas de luz, ou fótons, de se ligarem, ou emaranharem, em circunstâncias especializadas. Se o estado de um fóton na dupla emaranhada for alterado, o mesmo acontece com o outro, independentemente da distância entre os dois fótons.
Os pesquisadores da Caltech demonstraram em maio passado como tal emaranhamento poderia dobrar a resolução dos microscópios de luz clássicos, ao mesmo tempo que evitava que a luz de um sistema de imagem danificasse amostras biológicas frágeis. Agora, a mesma equipe aprimorou a técnica, tornando possível obter imagens quânticas de fatias inteiras de órgãos e até mesmo de pequenos organismos.
Liderado por Lihong Wang, professor Bren de Engenharia Médica e Engenharia Elétrica, o novo trabalho usa o emaranhamento – o que Albert Einstein certa vez descreveu como “ação assustadora à distância” – para controlar não apenas a cor e o brilho da luz que atinge uma amostra. , mas também a polarização dessa luz.
"Nossa nova técnica tem o potencial de abrir caminho para imagens quânticas em muitos campos diferentes, incluindo imagens biomédicas e potencialmente até mesmo sensoriamento espacial remoto", disse Wang, que também é presidente de liderança em engenharia médica Andrew e Peggy Cherng e diretor executivo de medicina. Engenharia.
Assim como o comprimento de onda e a intensidade, a polarização é uma propriedade fundamental da luz e representa a direção em que o componente elétrico de uma onda de luz está orientado em relação à direção geral de deslocamento da onda. A maior parte da luz, incluindo a luz solar, não é polarizada, o que significa que as suas ondas eletromagnéticas se movem e viajam em todas as direções.
No entanto, filtros chamados polarizadores podem ser usados para criar feixes de luz com uma polarização específica. Um polarizador vertical, por exemplo, só permite a passagem de fótons com polarização vertical. Aqueles com polarização horizontal (o que significa que o componente elétrico da onda de luz está orientado horizontalmente em relação à direção de deslocamento) serão bloqueados. Qualquer luz com outros ângulos de polarização (entre vertical e horizontal) passará parcialmente. O resultado é um fluxo de luz polarizada verticalmente.
É assim que os óculos de sol polarizados reduzem o brilho. Eles usam um revestimento químico de polarização vertical para bloquear a luz solar que se tornou polarizada horizontalmente ao ser refletida em uma superfície horizontal, como um lago ou campo nevado. Isso significa que o usuário observa apenas luz polarizada verticalmente.
Quando as mudanças na intensidade da luz ou na cor não são suficientes para fornecer aos cientistas imagens de qualidade de certos objetos, o controle da polarização da luz em um sistema de imagem pode, às vezes, fornecer mais informações sobre a amostra e oferecer uma maneira diferente de identificar o contraste entre uma amostra e seu fundo. Detectar as mudanças na polarização causadas por determinadas amostras também pode fornecer aos pesquisadores informações sobre a estrutura interna e o comportamento desses materiais.
A mais nova técnica de microscopia de Wang, chamada de imagem quântica por coincidência de emaranhamento (ICE), aproveita pares de fótons emaranhados para obter imagens de alta resolução de materiais biológicos, incluindo amostras mais espessas, e para fazer medições de materiais que possuem o que os cientistas chamam de propriedades birrefringentes.
Em vez de dobrar consistentemente as ondas de luz que chegam da mesma maneira, como faz a maioria dos materiais, os materiais birrefringentes dobram essas ondas em diferentes graus, dependendo da polarização da luz e da direção em que ela está viajando. Os materiais birrefringentes mais comuns estudados pelos cientistas são os cristais de calcita. Mas os materiais biológicos, como a celulose, o amido e muitos tipos de tecido animal, incluindo o colágeno e a cartilagem, também são birrefringentes.
Um peixe-zebra é mostrado com imagem clássica (esquerda) e usando a técnica ICE (direita), na presença de luz indesejada ou difusa, que pode interferir na qualidade de uma imagem. Os pontos pretos na imagem clássica são imperfeições causadas por luz difusa. Crédito:Avanços da Ciência (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk1495
Se uma amostra com propriedades birrefringentes for colocada entre dois polarizadores orientados em ângulos de 90 graus entre si, parte da luz que passa pela amostra será alterada em sua polarização e, portanto, chegará ao detector, mesmo que todas as outras a luz que entra deve ser bloqueada pelos dois polarizadores. A luz detectada pode então fornecer informações sobre a estrutura da amostra. Na ciência dos materiais, por exemplo, os cientistas utilizam medições de birrefringência para obter uma melhor compreensão das áreas onde o estresse mecânico se acumula nos plásticos.
Na configuração ICE de Wang, a luz passa primeiro por um polarizador e depois por um par de cristais especiais de borato de bário, que ocasionalmente criam um par de fótons emaranhados; cerca de um par é produzido para cada milhão de fótons que passam pelos cristais. A partir daí, os dois fótons emaranhados se ramificarão e seguirão um dos dois braços do sistema:um viajará em linha reta, seguindo o que é chamado de braço intermediário, enquanto o outro traçará um caminho mais tortuoso chamado braço de sinal que faz com que o fóton se mova. passar pelo objeto de interesse.
Finalmente, ambos os fótons passam por um polarizador adicional antes de chegarem a dois detectores, que registram o tempo de chegada dos fótons detectados. Aqui, porém, ocorre um efeito quântico "assustador" devido à natureza emaranhada dos fótons:o detector no braço intermediário pode atuar como um "orifício" virtual e um "seletor de polarização" no braço do sinal, afetando instantaneamente a localização e a polarização. do fóton incidente no objeto no braço de sinal.
"Na configuração do ICE, os detectores nos braços de sinal e intermediários funcionam como furos 'reais' e 'virtuais', respectivamente", diz Yide Zhang, autor principal do novo artigo publicado na Science Advances e estagiário de pós-doutorado em engenharia médica na Caltech. "Esta configuração de furo duplo aumenta a resolução espacial do objeto fotografado no braço de sinal. Consequentemente, o ICE atinge uma resolução espacial mais alta do que a imagem convencional que utiliza um único furo no braço de sinal."
“Como cada par de fótons emaranhados sempre chega aos detectores ao mesmo tempo, podemos suprimir ruídos na imagem causados por fótons aleatórios”, acrescenta Xin Tong, coautor do estudo e estudante de pós-graduação em engenharia médica e elétrica na Caltech. .
Para determinar as propriedades birrefringentes de um material com uma configuração de microscopia clássica, os cientistas normalmente alternam entre diferentes estados de entrada, iluminando um objeto separadamente com luz polarizada horizontalmente, verticalmente e diagonalmente e, em seguida, medindo os estados de saída correspondentes com um detector. O objetivo é medir como a birrefringência da amostra altera a imagem que o detector recebe em cada um desses estados. Esta informação informa os cientistas sobre a estrutura da amostra e pode fornecer imagens que de outra forma não seriam possíveis.
Como o emaranhamento quântico permite que fótons emparelhados sejam ligados, não importa quão distantes estejam, Wang já está imaginando como seu novo sistema poderia ser usado para fazer medições de birrefringência no espaço.
Considere uma situação em que algo de interesse, talvez um meio interestelar, esteja localizado a anos-luz de distância da Terra. Um satélite no espaço pode ser posicionado de forma a emitir pares de fótons emaranhados usando a técnica ICE, com duas estações terrestres atuando como detectores.
A grande distância até o satélite tornaria inviável o envio de qualquer tipo de sinal para ajuste da polarização da fonte do aparelho. No entanto, devido ao emaranhamento, alterar o estado de polarização no braço intermediário seria equivalente a alterar a polarização da fonte de luz antes que o feixe atinja o objeto.
“Usando a tecnologia quântica, quase instantaneamente, podemos fazer alterações no estado de polarização dos fótons, não importa onde eles estejam”, diz Wang. “As tecnologias quânticas são o futuro. Por curiosidade científica, precisamos explorar esta direção.”
