As propriedades únicas da física quântica podem ajudar a resolver um problema antigo que impede os microscópios de produzir imagens mais nítidas nas menores escalas, dizem os pesquisadores.



A descoberta, que utiliza fótons emaranhados para criar um novo método de correção de distorção de imagem em microscópios, poderia levar a uma melhor imagem microscópica clássica de amostras de tecido para ajudar no avanço da pesquisa médica.

Também poderia levar a novos avanços na microscopia quântica aprimorada para uso em uma ampla gama de campos. O artigo da equipe, intitulado "Adaptive Optical Imaging with Entangled Photons", foi publicado na Science . Pesquisadores da Universidade de Cambridge e do Laboratoire Kastler Brossel, na França, também contribuíram para a pesquisa.

Os microscópios têm sido ferramentas inestimáveis ​​para os cientistas há centenas de anos. Os avanços na óptica permitiram aos pesquisadores obter imagens cada vez mais detalhadas das estruturas fundamentais das células e dos materiais.

No entanto, à medida que os microscópios se desenvolveram em termos de complexidade, começaram a esbarrar nos limites da tecnologia óptica convencional, onde mesmo pequenas falhas nos elementos que resolvem as imagens podem produzir imagens desfocadas.

Atualmente, um processo denominado óptica adaptativa é utilizado para corrigir distorções de imagem causadas por aberrações. As aberrações podem ser causadas por pequenas imperfeições nas lentes e outros componentes ópticos ou por falhas na amostra sob o microscópio.

A chave para a óptica adaptativa é uma “estrela guia” – um ponto brilhante identificado na amostra ao microscópio que fornece um ponto de referência para a detecção de aberrações. Dispositivos chamados moduladores de luz espacial podem então moldar a luz e corrigir essas distorções.

A dependência de estrelas-guia representa problemas para microscópios que criam imagens de amostras como células e tecidos que não contêm pontos brilhantes. Os cientistas desenvolveram óptica adaptativa guia sem estrelas usando algoritmos de processamento de imagem, mas estes podem falhar para amostras com estruturas complexas.

No novo artigo, pesquisadores do Reino Unido e da França descrevem como usaram fótons emaranhados para detectar e corrigir aberrações que normalmente distorcem as imagens microscópicas. Eles chamam o processo de óptica adaptativa assistida por quantum.

O artigo descreve como eles usam sua nova técnica para corrigir distorções e recuperar imagens de alta resolução de amostras de testes biológicos – o bocal e a perna de uma abelha. Eles também demonstram correção de aberração para amostras com estruturas tridimensionais – uma situação em que a óptica adaptativa clássica frequentemente falha.

Eles usaram pares de fótons emaranhados para iluminar as amostras, permitindo capturar uma imagem convencional e medir as correlações quânticas ao mesmo tempo.

Quando os pares de fótons emaranhados encontram aberração, seu emaranhamento – na forma de correlações quânticas – torna-se degradado. Os pesquisadores mostram que a forma como essas correlações quânticas são degradadas, na verdade, revela informações sobre as aberrações e permite que elas sejam corrigidas por meio de sofisticadas análises computacionais.

As informações contidas nas correlações permitem uma caracterização precisa das aberrações, possibilitando posteriormente sua correção com um modulador de luz espacial. O artigo mostra que as correlações podem ser usadas para produzir imagens mais claras e de alta resolução do que as técnicas convencionais de microscopia de campo claro.

Patrick Cameron, da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Glasgow, é o primeiro autor do artigo. Ele disse:"Amostras complexas, como tecidos biológicos, podem ser um desafio para a imagem usando abordagens convencionais de microscopia, onde a técnica da estrela brilhante pode falhar porque raramente há pontos brilhantes naturais em tecidos humanos ou animais.

"Esta pesquisa mostra que fontes de luz emaranhadas quânticas podem ser usadas para sondar amostras de maneiras que são muito mais desafiadoras, se não impossíveis, com a microscopia tradicional. Identificar e corrigir aberrações e distorções com fótons emaranhados nos permitiu produzir imagens mais nítidas sem o necessidade de uma estrela guia."

Dr. Hugo Defienne começou a trabalhar na pesquisa na Escola de Física e Astronomia da Universidade de Glasgow antes de se mudar para o Instituto de Nanociências de Paris na Universidade Sorbonne, onde agora trabalha. Defienne, último autor do artigo, disse:"Esta nova técnica poderia ser amplamente aplicada a todos os tipos de microscópios ópticos convencionais para ajudar a melhorar a imagem de uma ampla gama de amostras. Demonstramos sua eficácia em amostras biológicas, sugerindo que poderia ser usado nos setores médico e biológico no futuro.

"Também poderia ser aplicado ao campo emergente da microscopia quântica, que tem um tremendo potencial para produzir imagens além dos limites da luz clássica."

A equipe ainda tem alguns obstáculos técnicos a superar antes que a técnica possa ser amplamente adotada em microscópios ópticos.

A professora Daniele Faccio, que lidera o grupo de pesquisa Extreme Light da Universidade de Glasgow, é coautora do artigo. Ele disse:"A próxima geração de câmeras e fontes de luz provavelmente ajudará a melhorar a velocidade com que as imagens podem ser resolvidas usando esta técnica. Continuaremos a trabalhar no refinamento e no desenvolvimento do processo e esperamos encontrar novas aplicações no mundo real para microscopia avançada à medida que avançamos."

Mais informações: Patrick Cameron et al, Imagem óptica adaptativa com fótons emaranhados, Ciência (2024). DOI:10.1126/science.adk7825
Fornecido pela Universidade de Glasgow