Confocal imaging from biphoton correlations

Immaginate di cercare di vedere i minuscoli e intricati strati di una cellula vivente o la fine trama di un materiale senza sfocare l'immagine con la luce proveniente dall'alto o dal basso rispetto al piano su cui vi siete focalizzati. Per decenni, gli scienziati si sono affidati a una tecnica chiamata microscopia confocale per risolvere questo problema. Essa funziona proiettando un fascio di luce focalizzato su un campione e posizionando una piccola barriera fisica, nota come pinhole (foro stenopeico), davanti al rilevatore. Questo pinhole agisce come un rigoroso guardiano, bloccando tutta la luce che non proviene dall'esatto punto focale, creando così un'immagine tridimensionale nitida. Tuttavia, questo metodo presenta un significativo svantaggio: per costruire un'immagine completa, il microscopio deve scansionare il campione punto per punto, un processo che è intrinsecamente lento e limita la velocità con cui i ricercatori possono catturare eventi dinamici. Sebbene altri metodi abbiano cercato di velocizzare le cose utilizzando luce strutturata o fogli di illuminazione specializzati, essi rimangono spesso confinati a tipi specifici di campioni o scale. Ciò lascia una domanda fondamentale senza risposta: è possibile ottenere questa imaging a strati nitidi senza parti in movimento, senza scansione e senza alcun pinhole fisico?

Un team di ricercatori dell'Università di Glasgow ha ora dimostrato che la risposta è sì, rivolgendosi alle strane e potenti regole della meccanica quantistica. Invece di usare una barriera fisica per filtrare la luce indesiderata, hanno utilizzato la naturale connessione tra coppie di fotoni entangled (intrecciati). Nel loro esperimento, hanno generato queste coppie di particelle di luce, note come bifotoni, utilizzando un cristallo e un laser. Queste particelle sono collegate in modo tale che misurarne una riveli istantaneamente informazioni sull'altra, indipendentemente dalla distanza tra loro. I ricercatori hanno allestito un sistema di imaging a campo largo in cui le coppie entangled viaggiavano attraverso la loro configurazione ottica e venivano rilevate da una telecamera sensibile. Fondamentalmente, non hanno osservato i fotoni singolarmente; invece, hanno cercato le "coincidenze", registrando solo i momenti in cui entrambi i membri di una coppia arrivavano alla telecamera contemporaneamente.

Il risultato è stato una forma di sezionamento ottico che avveniva in tutto l'immagine simultaneamente, senza alcuna scansione meccanica richiesta. Poiché i fotoni erano entangled, il loro rilevamento congiunto ha naturalmente soppresso la luce proveniente dai piani fuori fuoco, creando efficacemento un pinhole virtuale che esisteva solo nel processo di misurazione. I ricercatori hanno scoperto che questo approccio quantistico non si è limitato a replicare le prestazioni di un normale microscopio confocale; lo ha effettivamente superato. Lo strato di messa a fuoco che sono riusciti a isolare era significativamente più sottile di quanto sia possibile con i metodi classici. Nello specifico, la nitidezza del fuoco nel loro sistema quantistico è stata migliorata di un fattore pari alla radice quadrata di due rispetto a un tradizionale microscopio confocale, e di un fattore due rispetto alla normale imaging a campo largo. Questo miglioramento deriva dal fatto che i fotoni entangled si comportano come un'unica unità durante il loro viaggio attraverso il sistema, raddoppiando efficacementamente la sensibilità alla profondità in un modo che la luce classica non può fare.

Per dimostrare ciò, il team ha condotto un esperimento di trasmissione in cui ha spostato la telecamera avanti e indietro lungo l'asse del fascio di luce, registrando immagini a diverse profondità. Quando osservavano i fotoni individuali, le immagini dei loro oggetti di test diventavano progressivamente sfocate man mano che si allontanavano dal punto focale, proprio come ci si aspetterebbe in una microscopia normale. Tuttavia, quando hanno analizzato le immagini di coincidenza — mostrando solo i fotoni accoppiati — gli oggetti rimanevano nitidi e distinti solo quando la telecamera era perfettamente allineata con il piano focale. Non appena la telecamera si spostava anche solo leggermente fuori fuoco, il segnale dei fotoni accoppiati svaniva, lasciando un'immagine chiara e ad alto contrasto dell'oggetto a fuoco, mentre il resto della scena svaniva. Ciò ha confermato che il sezionamento ottico era un risultato diretto delle correlazioni quantistiche tra i fotoni, e non il risultato di alcun meccanismo di filtraggio fisico o di scansione.

Lo studio ha anche esplorato come la forza di questo effetto potesse essere regolata. Modificando le proprietà del cristallo che generava i fotoni, i ricercatori potevano cambiare quanto strettamente i fotoni fossero correlati nel loro movimento. Hanno scoperto che correlazioni più strette portavano a un fuoco più nitido, mentre correlazioni più lasse risultavano in un piano focale più ampio e meno definito. Ciò suggerisce che la tecnica non è un fenomeno fisso, ma uno strumento flessibile che può essere ottimizzato per diverse esigenze di imaging. Il lavoro stabilisce che la capacità di tagliare attraverso un campione con alta precisione non richiede la complessa meccanica di un microscopio a scansione o i vincoli fisici di un pinhole. Al contrario, può emergere naturalmente dal modo in cui le particelle entangled vengono misurate, offrendo una nuova via per l'imaging tridimensionale veloce, parallelo e privo di pinhole che potrebbe un giorno rivoluzionare il modo in cui osserviamo il mondo microscopico.