Las propiedades únicas de la física cuántica podrían ayudar a resolver un problema de larga data que impide que los microscopios produzcan imágenes más nítidas en las escalas más pequeñas, afirman los investigadores.
El avance, que utiliza fotones entrelazados para crear un nuevo método de corrección de la distorsión de la imagen en los microscopios, podría conducir a mejores imágenes microscópicas clásicas de muestras de tejido para ayudar a avanzar en la investigación médica.
También podría conducir a nuevos avances en microscopía cuántica mejorada para su uso en una amplia gama de campos. El artículo del equipo, titulado "Adaptive Optical Imaging with Entangled Photons", se publica en Science. . Investigadores de la Universidad de Cambridge y del Laboratoire Kastler Brossel en Francia también contribuyeron a la investigación.
Los microscopios han sido herramientas invaluables para los científicos durante cientos de años. Los avances en óptica han permitido a los investigadores resolver imágenes cada vez más detalladas de las estructuras fundamentales de las células y los materiales.
Sin embargo, a medida que los microscopios han ido adquiriendo complejidad, han comenzado a topar con los límites de la tecnología óptica convencional, donde incluso pequeños defectos en los elementos que resuelven las imágenes pueden producir imágenes borrosas.
Actualmente, se utiliza un proceso llamado óptica adaptativa para corregir las distorsiones de la imagen causadas por aberraciones. Las aberraciones pueden ser causadas por pequeñas imperfecciones en las lentes y otros componentes ópticos o por defectos en la muestra bajo el microscopio.
La clave de la óptica adaptativa es una "estrella guía", un punto brillante identificado en la muestra bajo el microscopio que proporciona un punto de referencia para detectar aberraciones. Los dispositivos llamados moduladores de luz espacial pueden luego dar forma a la luz y corregir estas distorsiones.
La dependencia de las estrellas guía plantea problemas para los microscopios que obtienen imágenes de muestras como células y tejidos que no contienen puntos brillantes. Los científicos han desarrollado una óptica adaptativa sin estrellas guía utilizando algoritmos de procesamiento de imágenes, pero pueden fallar en muestras con estructuras complejas.
En el nuevo artículo, investigadores del Reino Unido y Francia describen cómo utilizaron fotones entrelazados para detectar y corregir aberraciones que normalmente distorsionan las imágenes microscópicas. A este proceso lo llaman óptica adaptativa asistida cuántica.
El artículo describe cómo utilizan su nueva técnica para corregir la distorsión y recuperar imágenes de alta resolución de muestras de prueba biológica:la boquilla y la pata de una abeja. También demuestran la corrección de la aberración para muestras con estructuras tridimensionales, una situación en la que la óptica adaptativa clásica suele fallar.
Utilizaron pares de fotones entrelazados para iluminar las muestras, lo que les permitió capturar una imagen convencional y medir las correlaciones cuánticas al mismo tiempo.
Cuando los pares de fotones entrelazados encuentran una aberración, su entrelazamiento (en forma de correlaciones cuánticas) se degrada. Los investigadores muestran que la forma en que se degradan estas correlaciones cuánticas en realidad revela información sobre las aberraciones y permite corregirlas mediante sofisticados análisis informáticos.
La información contenida en las correlaciones permite una caracterización precisa de las aberraciones, posibilitando posteriormente su corrección con un modulador de luz espacial. El artículo muestra que las correlaciones se pueden utilizar para producir imágenes más claras y de mayor resolución que las técnicas convencionales de microscopía de campo claro.
Patrick Cameron, de la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de Glasgow, es el primer autor del artículo. Dijo:"Las muestras complejas, como los tejidos biológicos, pueden ser difíciles de obtener mediante métodos convencionales de microscopía, donde la técnica de la estrella brillante puede fallar porque rara vez hay puntos brillantes naturales en el tejido humano o animal.
"Esta investigación muestra que las fuentes de luz entrelazadas cuánticamente se pueden utilizar para sondear muestras de maneras que son mucho más desafiantes, si no imposibles, con la microscopía tradicional. Identificar y corregir aberraciones y distorsiones con fotones entrelazados nos permitió producir imágenes más nítidas sin la Necesito una estrella guía."
El Dr. Hugo Defienne comenzó a trabajar en la investigación en la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de Glasgow antes de trasladarse al Instituto de Nanociencias de París en la Universidad de la Sorbona, donde reside actualmente. El Dr. Defienne, último autor del artículo, dijo:"Esta nueva técnica podría aplicarse ampliamente a todo tipo de microscopios ópticos convencionales para ayudar a mejorar las imágenes de una amplia gama de muestras. Demostramos su eficacia en muestras biológicas, lo que sugiere que podría se utilizará en los sectores médico y biológico en el futuro.
"También podría aplicarse al campo emergente de la microscopía cuántica, que tiene un tremendo potencial para producir imágenes más allá de los límites de la luz clásica".
El equipo todavía tiene que superar algunos obstáculos técnicos antes de que la técnica pueda adoptarse ampliamente en los microscopios ópticos.
El profesor Daniele Faccio, que dirige el grupo de investigación Extreme Light de la Universidad de Glasgow, es coautor del artículo. Dijo:"Es probable que la próxima generación de cámaras y fuentes de luz ayuden a mejorar la velocidad con la que se pueden resolver las imágenes utilizando esta técnica. Continuaremos trabajando para perfeccionar y desarrollar el proceso y esperamos encontrar nuevas aplicaciones del mundo real para microscopía avanzada a medida que avanzamos."
Más información: Patrick Cameron et al, Imágenes ópticas adaptativas con fotones entrelazados, Ciencia (2024). DOI:10.1126/ciencia.adk7825
Proporcionado por la Universidad de Glasgow
