Işın Mikroskopları Kuantum Hilesi Kullanarak Daha Küçük Nesneleri Görmemizi Sağlıyor

Işık mikroskoplarının çözünürlüğü, kuantum fiziğinde yaygın olarak kullanılan bir fenomenin akıllıca kullanımından büyük destek aldı. Karışık ışığı farklı yollar boyunca göndererek ve dalga boylarını yeniden birleştirerek, hassas nesnelere her zamankinden daha yakından bakmak mümkündür ve ışık enerjisinde dramatik bir artışın olağan komplikasyonları olmadan çözünürlüklerini etkili bir şekilde ikiye katlar.

Buna Şanslı Kuantum Mikroskobu (QMC) denir ve ABD’deki California Institute of Technology’deki (Caltech) araştırmacılar tarafından geliştirildi ve bunun, hastalıkları veya yayılmalarını tespit etmek için dokuları ve biyomolekülleri incelemek için özellikle iyi olduğunu söylüyorlar.

Kuantum mikroskobu aparatının bir diyagramı.

Araştırmacılar, yakın zamanda yayınlanan makalelerinde, “Geliştirilmiş hız, iyileştirilmiş kontrast-gürültü oranı, daha güçlü parlama koruması, ultra yüksek çözünürlük ve düşük ışık yoğunluğunun birleşimi, QMC’nin biyogörüntüleme için kullanılmasına izin veriyor” diye yazıyor. Kuantum dolaşıklık, keşfedilmeden önce ortak bir geçmişi paylaşan nesneler arasında var olan korelasyonları tanımlar.

Mikroskop çözünürlüğündeki gelişmeler.

Bir mağazadan alınan iki ayakkabı sağ ve sol ayağa uyacak şekilde ilişkili olduğu gibi, parçacıklar da çeşitli şekillerde matematiksel olarak ilişkilendirilebilir. Sadece bir kuantum sisteminde, ayakkabılar ve elektronlar gözlemlenene kadar aslında bu hallerin hiçbirinde değildir. Bunlar, en iyi şekilde “belki” dalgası olarak tanımlanan olasılıklardır. QMC’de söz konusu parçacıklar, bir zamanlar bir çift halinde dolaşan fotonlar veya bifotonlar olarak bilinen ışık parçacıklarıydı.

Bu, baryum β-borattan (BBO) yapılmış özel bir kristal türü kullanılarak yapıldı. Lazer ışığı bir kristalden geçtiğinde, fotonların çok küçük bir bölümü (yaklaşık milyonda bir) bifotonlara dönüştürülür. Araştırmacılar daha sonra bir ayna, mercek ve prizma ağı kullanarak bifotonları tekrar ayırabildiler. Bir foton test edilen malzemeden geçerken başka bir foton analiz edilir.

Işık Hilesi Kullanarak Işın Mikroskopları Daha Küçük Nesneler Yakaladı

Her iki foton da dolaşık olduğundan, ölçülen korelasyonlar eşlerinin yolculuğu hakkında da bir şeyler söylüyor. Bu, Hayalet Görüntüleme adı verilen oldukça yeni bir teknolojinin temelidir. Ancak bu karmaşık ikili eylemin başka bir numarası daha var. Bifotonlar, fotonlardan iki kat daha fazla momentuma sahiptir, bu da dalga boylarının yarıya indiği anlamına gelir.

Buna karşılık, ışığın dalga boyunun yarısı, ışık mikroskobunun daha yüksek çözünürlüğü anlamına gelir. Normalde, daha kısa dalga boylarına sahip ışık aynı zamanda daha fazla enerji taşır ve bu da bir noktada incelenen hücrelere zarar verebilir. Zararsız uzun menzilli radyo dalgaları ile DNA’yı yok edebilen ve güneş yanığına neden olabilen daha güçlü kısa menzilli ultraviyole (UV) ışınları arasındaki farkı düşünün.

Bu durumda, dolaşıklık işlemi, dalga boyunu etkili bir şekilde yarı yarıya azaltır, ancak tek tek fotonların enerjisini artırmaz. California Teknoloji Enstitüsü’nden (Caltech) tıp mühendisi Lihong Wang, “Hücreler ultraviyole ışığı sevmez” diyor. “Fakat hücreyi görüntülemek için 400nm ışık kullanabilirsek ve UV olan 200nm ışığın etkisini elde edebilirsek, hücreler mutlu olacak ve UV çözünürlüğü elde edeceğiz.” daha hızlı görüntü işleme ve daha fazla fotonu karıştırma yeteneği dahil olmak üzere sistem geliştirmeleri, çözünürlüğü daha da artırır. Bununla birlikte, daha fazla foton eklemek, dolaşıklık olasılığının – zaten milyonda bir – daha da azaldığı anlamına gelir.

Dolanıklık, çevre ile etkileşimlerle kolayca kırıldığı için, bir sistemdeki fotonların sayısını artırmak, bireysel fotonların birbirlerinden ziyade çevre ile etkileşime girme şansını artırır. Bifoton görüntüleme daha önce denenmiş olsa da, yeni tesisin araştırmacıları süreç boyunca çeşitli iyileştirmeler ve saha testleri yaparak onu türünün en umut verici teknolojilerinden biri haline getirdi.

Wang, “Dolaşıklığı ölçmenin daha hızlı ve daha doğru bir yolunun yanı sıra, titiz bir teori olarak düşündüğümüz şeyi geliştirdik” diyor. “Mikroskobik çözünürlüğe ulaştık ve hücreleri görselleştirdik.”

Bu yazı Nature Communications adresinden derlenmiştir.

Yorum yapın