Призрачная визуализация — самый бережный метод микроскопии. Вместо прямого наблюдения используются запутанные фотоны. Это позволяет получать четкие изображения с минимальным воздействием на образец.
До сих пор квантовая призрачная визуализация ограничивалась двумя измерениями или двумя плоскостями с фиксированными позициями по оси Z. В Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) разработали первый в мире 3D-микроскоп на основе этой технологии. Статья о нем вышла в журнале Optica.
«Это новый способ 3D-визуализации, который позволяет получать более чувствительные изображения и собирать больше информации без необходимости сканировать образец», — говорит Одри Эшун, которая в LLNL занимается квантовой оптикой и методами визуализации.
В основе работы микроскопа лежит квантовая запутанность. Лазер освещает кристалл, который генерирует пары фотонов, связанные в пространстве и времени. Эти пары попадают на зеркало, разделяющее их: один фотон, «сигнальный», отклоняется влево к образцу, а другой, «холостой», продолжает движение прямо к детектору.
Холостые фотоны, не взаимодействующие с образцом, формируют на детекторе равномерное изображение без особенностей.
Тем временем сигнальные фотоны проходят через микроскопический объектив, который фокусирует их на образце — в эксперименте это были наночастицы серебра.
Образец наклонен под углом 45 градусов к падающим фотонам. При столкновении с ним фотоны рассеиваются во всех направлениях.
Второй объектив, расположенный под прямым углом к падающему свету, собирает рассеянные фотоны и направляет их на второй детектор. Эта камера делает стандартный снимок плоскости Y-Z наночастиц.
Оба детектора регистрируют точное время прибытия каждого фотона. Сопоставляя временные метки пар фотонов, зафиксированных обеими камерами, исследователи определяют, какие холостые фотоны соответствуют сигнальным, взаимодействовавшим с образцом. Удаляя все остальные фотоны из «пустого» изображения холостых фотонов, они получают призрачное изображение плоскости X-Y образца.
«Стандартное изображение содержит координаты Y и Z, а также время для каждого пикселя, а призрачное — координаты X и Y и время для каждого пикселя. Группируя все фотоны с одинаковыми временными метками, мы можем определить положение каждого фотона по осям X, Y и Z. Эти координаты затем используются для построения 3D-изображения», — объясняет Эшун.
В отличие от других методов, 3D-квантовая призрачная визуализация не требует сканирования образца — процесс происходит мгновенно. Крайне низкая интенсивность света — 80 пиковатт, в миллион раз слабее, чем в обычном микроскопе — делает ее полезной для визуализации светочувствительных материалов.
«Этот микроскоп — первый в своем роде, — подчеркнул соавтор работы Тед Лоренс из LLNL. — 3D-квантовая призрачная визуализация уже применяется, но ее разрешение — около трех сантиметров. Здесь же речь идет о микронах. Мы получаем информацию в трех пространственных измерениях с микронным разрешением».
В дальнейшем команда планирует использовать этот метод для высокоскоростного отслеживания движения клеток относительно друг друга.