El último avance en un nuevo tipo de óptica destinado a mejorar la microscopía comenzó con un juego de tenis hace tres años.

Relajarse después de un largo día de investigación en sus respectivos laboratorios, Mooseok Jang (Ph.D. '16) y Yu Horie (quien recibirá su Ph.D. en junio de 2018) —en ese momento, Ambos estudiantes graduados de Caltech se reunieron para jugar un partido de tenis en las canchas del Braun Athletic Center de Caltech.

Jang, estudiante de Changhuei Yang, profesor de ingeniería eléctrica Thomas G. Myers, Bioingeniería e Ingeniería Médica en la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas — había estado trabajando en una tecnología de microscopía incipiente que utiliza la dispersión de luz para eludir el tradicional equilibrio entre resolución (la cantidad de detalles que captura) y campo de visión (el área que captura). La investigación se había topado con un obstáculo:las herramientas que se estaban utilizando para dispersar la luz eran difíciles de predecir y poco fiables.

Durante el partido de tenis, Jang describió este frustrante acertijo a Horie, estudiante del profesor asistente de física aplicada y ciencia de los materiales Andrei Faraon (BS '04). En el laboratorio de Faraon, Horie trabajó en metasuperficies, que son láminas de material cuyas propiedades electromagnéticas pueden modificarse bajo demanda. Faraón, un ingeniero nanofotónica, crea metasuperficies que están tachonadas con postes a nanoescala hechos de nitruro de silicio. Estos nanopuestos son capaces de manipular la luz con un alto grado de precisión, por ejemplo, para doblar la luz como lo hace una lente o codificar hologramas en una superficie plana. A medida que su conversación pasó de las canchas de tenis al café en el Red Door Marketplace en Caltech, Jang y Horie se dieron cuenta de que la experiencia de sus respectivos laboratorios podría combinarse para crear un material de dispersión de luz predecible.

"Como lo hablamos, quedó claro que podíamos trabajar juntos para resolver este problema, "Dice Jang.

La práctica de dispersar la luz para tomar una imagen de alta resolución con un amplio campo de visión parece contradictoria. pero las demostraciones de la última década han demostrado que puede ser eficaz. Si bien la luz dispersa no se propaga de una manera simple como la luz que pasa a través de una lente, se puede procesar para el enfoque óptico y la imagen de alta resolución utilizando un dispositivo llamado modulador de luz espacial (SLM), que acorrala y dirige los componentes dispersos sin procesar para permitir un control óptico de alta fidelidad. El resultado es una imagen con un mayor número de puntos focales resolubles que se extienden sobre un campo de visión más amplio; en otras palabras, un mas claro, imagen más amplia.

El problema, sin embargo, es que esta estrategia es difícil de implementar en la práctica, hasta el punto de la inutilidad. Para que la luz revuelta tenga sentido, el SLM necesita saber exactamente cómo fue afectado por el medio de dispersión. Los diferentes tipos de medios de dispersión que se utilizan actualmente, incluida la cinta adhesiva, están llenos de partículas suspendidas ubicadas al azar. Cuando se coloca un trozo de cinta en el camino de un haz de luz, esas partículas hacen un gran trabajo al dispersar la luz de forma aleatoria, cual es la meta. Sin embargo, debido a la naturaleza aleatoria inherente de su ubicación en la cinta, El proceso de medición puede tardar semanas en caracterizar completamente la dispersión y permitir un enfoque de alta calidad sobre el número máximo de puntos individuales de una imagen. Peor, las partículas suspendidas tienen la mala costumbre de migrar en la cinta, incluso durante el proceso de calibración, lo que tiene el potencial de hacer que el laborioso y largo proceso de medición sea inútil cuando esté terminado.

Con un medio de dispersión como cinta adhesiva, Esta caracterización ha significado tradicionalmente calibrar el medio proyectando imágenes conocidas a través de él usando el SLM y luego trabajar hacia atrás para determinar la acción del medio sobre la luz entrante, luego repetir este proceso una y otra vez para caracterizar completamente el medio.

Sin embargo, utilizando las metasuperficies generadas en el laboratorio de Faraon (materiales que dispersan la luz de formas totalmente predecibles), el tiempo de calibración podría reducirse de horas a solo minutos, convertir el proceso de medición que requiere mucho tiempo en un procedimiento de alineación simple. Como bono adicional, la recalibración nunca sería necesaria.

"Creo que el Dr. Yang y sus colegas se mostraron escépticos al principio de que pudiéramos controlar la luz con tanta precisión utilizando estas metasuperficies, ", Dice Horie. Finalmente se convencieron, sin embargo, y en un artículo publicado en Nature Photonics este mes, los dos laboratorios demuestran la producción de una imagen de alta resolución, correspondiente a una apertura numérica superior a 0,5, con un campo de visión relativamente amplio (8 milímetros). La imagen tenía aproximadamente 2.200 millones de puntos focales individuales. Para comparacion, un microscopio típico de alta calidad con la misma apertura numérica produce un orden de magnitud menos puntos focales.

Con mejoras continuas como esta, los científicos y patólogos podrán escanear muestras con microscopios más rápido y con una resolución más alta.

"La esperanza es que nuestro trabajo suscite un mayor interés en esta área de la óptica y haga que este tipo de microscopía y sus ventajas sean factibles para la práctica, uso diario, no solo como prueba de concepto, "dice Josh Brake (MS '16), un estudiante de posgrado en el laboratorio de Yang que continúa trabajando en el proyecto con Faraon y Yang.

Desde su revolucionaria colaboración, Jang y Horie han terminado su trabajo de doctorado y se han ido por caminos separados:Jang regresó a su Corea natal, donde continúa su investigación como parte de su servicio militar obligatorio, mientras Horie tomó un trabajo en Apple. Los dos se mantienen en contacto aunque. Y ambos siguen jugando al tenis.

El artículo de Nature Photonics se titula "Modelado de frente de onda con metasuperficies diseñadas por el desorden".