Wide-field mid- to long-wave infrared imaging with undetected photons
本論文は、AgGaS₂結晶における非共線型位相整合を用いた未検出光子による量子イメージングを通じて、従来の検出器よりも優れた解像度と撮像時間を実現しつつ、背景ノイズのない室温動作を伴う広視野の中波・長波赤外（6–10 µm）イメージングを実証するものである。
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赤外線で世界を見ることは、隠された現実の層を明らかにすることを意味する。そこでは、生細胞の熱や分子の化学的シグネチャーが可視化される。このスペクトル部分は科学者にとって強力なツールであり、染料やマーカーでラベル付けすることなく、独自の「指紋」によって物質を特定する方法を提供する。しかし、これらの画像を捉えることは、長らく困難な課題であった。赤外光は環境自体の熱的な輝きに支配されている。室温では、あらゆるものが背景ノイズとなる放射を行い、微弱な信号をかき消してしまう。鮮明に観察するために、従来のカメラはしばしば高価で特殊なセンサーを必要とし、それらは極低温まで冷却されなければならない。たとえそうしたとしても、そのプロセスは遅く、この圧倒的な背景熱によって制限される。
異なるアプローチが登場した。それは、量子干渉として知られる光の奇妙な性質を利用したものである。この手法は、物体から跳ね返ってきた赤外フォトンの検出を試みるのではなく、それらを単なる「使い」として利用する。この技術は、光のビームを二つの連結されたペアに分割することに基づいている。一つは私たちの目や標準的なカメラが見ることができる可視光スペクトルを通り、もう一方は赤外線を通る。これら二つのビームは共に生まれ、互いに区別がつかないほど結びついたままの状態を維持する。もし赤外線ビームが物体と相互作用した場合、可視光ビームが物体に触れていなくても、そのパートナーである可視光の振る舞いに変化が生じる。可視光を測定することで、科学者は不可視の赤外光が遭遇した対象物の画像を再構成できる。これは、実質的に赤外フォトンの直接的な検出を回避することを意味する。つまり、この手法による画像は、通常の赤raredカメラを悩ませる熱ノイズの影響を受けないのである。
インペリアル・カレッジ・ロンドンの研究者たちは、現在この概念を大幅に拡張し、中間波から長波赤外線の範囲、具体的には6〜10マイクロメートルの範囲で広視野画像を生成する方法を実証した。これは、多くの重要な化学結合が光を吸収する波長をカバーしており、科学的分析において極めて重要な領域である。実験において、チームはシルバー・チオガレート（銀チオガレート）製の結晶を使用して、これらの連結された光のペアを生成した。彼らは、赤外線ビームを「アイドラー（idler）」と呼び、それがサンプルを通過するようにセットアップを構成し、一方で可視光の「シグナル（signal）」ビームを標準的なシリコンカメラへと向けるように配置した。赤外光がカメラによって検出されることはなかったため、システムは通常、室温で作動する最高の赤外線検出器でも制限となる背景ノイズを回避することができた。研究者たちは、この手法を用いることで、室温で作動する最高の標準的な赤外線検出器と比較して、少なくとも100倍微弱なレベルの赤外光を検出できることを見出した。
チームは画像のレベルにおいて高い詳細度を達成し、視野全体で8,000以上の異なる点を解像した。波長8マイクロメートルにおいて、彼らは297マイクロメートルもの小さな特徴を識別することができた。システムのテストとして、彼らは特定のパターンを持つ金属マスクを赤外線ビームの経路に配置した。可視光のみを見ているカメラは、これらのマスクの形状を正常に再構成し、穴の部分と固形部分を鮮明に描き出した。研究者たちは、結晶の角度とポンプに使用するレーザーの色を調整するだけで、6〜10マイクロメートルの範囲内の異なる波長での撮像が可能であることを示した。この柔軟性は、この手法が様々な材料における特定の化学的シグネチャーを標的にするために適応できることを示唆している。
速度もまた、彼らの成功における主要な要因であった。チームは、データを処理する二つの方法を実証した。第一の方法は、光の位相をゆっくりと変化させながら一連の画像を取得する方法であり、これは1フレームあたり約10秒を要したが、高品質な画像をもたらした。第二の方法は、単一のスナップショットを用いて画像を再構成するもので、画像全体の取得時間をわずか10秒に短縮したが、画質にはわずかなトレードオフがあった。この速度は、同様の画像を生成するのに数時間を要することのある従来の赤外分光法と比較して、劇的な改善である。これらの結果は、冷却された検出器や複雑な装置を必要とせずに、赤外線領域において高速かつ鮮明で、スペクトル選択的な撮能を行うことが可能であることを示している。この進歩は、分子構造を迅速かつ背景ノイズなしに観察できる能力が、科学者がサンプルを分析する方法を変革する可能性がある生物学や化学における新しい応用への扉を開くものである。
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