Confocal imaging from biphoton correlations

Stel je voor dat je de minuscule, ingewikkelde lagen van een levende cel of de fijne textuur van een materiaal probeert te zien zonder het beeld te vervagen met licht van boven of onder het vlak waarop je scherpstelt. Decennialang hebben wetenschappers vertrouwd op een techniek genaamd confocale microscopie om dit probleem op te lossen. Deze methode werkt door een gefocuste lichtstraal op een monster te richten en een kleine fysieke barrière, een pinhole genoemd, voor de detector te plaatsen. Deze pinhole fungeert als een strikte poortwachter die al het licht blokkeert dat niet afkomstig is van het exacte brandpunt, waardoor een scherp, driedimensionaal beeld ontstaat. Deze methode heeft echter een aanzienlijk nadeel: om een compleet beeld op te bouwen, moet de microscoop het monster punt voor punt scannen, een proces dat inherent traag is en beperkt hoe snel onderzoekers dynamische gebeurtenissen kunnen vastleggen. Hoewel andere methoden hebben geprobeerd dit te versnellen door gebruik te maken van gepatroneerd licht of gespecialiseerde verlichtingsvlakken, blijven ze vaak beperkt tot specifieke soorten monsters of schalen. Dit laat een fundamentele vraag onbeantwoord: is het mogelijk om deze scherpe, gelaagde beeldvorming te bereiken zonder bewegende delen, zonder scannen en zonder enige fysieke pinholes?

Een team onderzoekers aan de Universiteit van Glasgow heeft nu aangetoond dat het antwoord ja is, door zich te wenden tot de vreemde en krachtige regels van de kwantummechanica. In plaats van een fysieke barrière te gebruiken om ongewenst licht te filteren, gebruikten zij de natuurlijke verbinding tussen paren verstrengelde fotonen. In hun experiment genereerden zij deze paren lichtdeeltjes, bekend als bifotonen, met behulp van een kristal en een laser. Deze deeltjes zijn zodanig verbonden dat het meten van de één onmiddellijk informatie over de ander onthult, ongeacht de afstand tussen hen. De onderzoekers zetten een breedveld-beeldvormingssysteem op waarbij deze verstrengelde paren door hun optische opstelling reisden en werden gedetecteerd door een gevoelige camera. Cruciaal was dat zij niet naar de fotonen individueel keken; in plaats daarvan zochten zij naar "toevalligheden" (coincidences), waarbij zij alleen de momenten registreerden waarop beide leden van een paar tegelijkertijd bij de camera aankwamen.

Het resultaat was een vorm van optische sectie die over het gehele beeld tegelijkertijd plaatsvond, zonder dat mechanisch scannen vereist was. Omdat de fotonen verstrengeld waren, onderdrukte hun gezamenlijke detectie van nature licht dat afkomstig was uit de buiten het brandpunt liggende vlakken, waardoor effectief een virtuele pinhole ontstond die alleen bestond tijdens het meetproces. De onderzoekers ontdekten dat deze kwantumbenadering meer deed dan alleen de prestaties van een standaard confocale microscoop evenaren; het presteerde er zelfs beter dan. De laag van focus die zij konden isoleren, was aanzienlijk dunner dan wat mogelijk is met klassieke methoden. Specifiek was de scherpte van het brandpunt in hun kwantumsysteem verbeterd met een factor wortel twee vergeleken met een traditionele confocale microscoop, en met een factor twee vergeleken met standaard breedveld-beeldvorming. Deze verbetering komt voort uit het feit dat de verstrengelde fotonen zich als een enkele eenheid gedragen tijdens hun reis door het systeem, waardoor de gevoeligheid voor diepte op een manier wordt verdubbeld die klassiek licht niet kan bereiken.

Om dit te bewijzen, voerde het team een transmissie-experiment uit waarbij zij de camera heen en weer bewogen langs de as van de lichtstraal, terwijl zij beelden op verschillende dieptes opnamen. Wanneer zij naar de individuele fotonen keken, werden de beelden van hun testobjecten progressief waziger naarmate zij verder van het brandpunt af bewogen, precies zoals men zou verwachten bij normale microscopie. Echter, wanneer zij de toevalsbeelden (coincidence images) analyseerden — die alleen de gepaarde fotonen lieten zien — bleven de objecten scherp en duidelijk enkel wanneer de camera perfect uitgelijnd was met het brandpuntvlak. Zodra de camera zelfs maar iets uit focus bewoog, verdween het signaal van de gepaarde fotonen, waardoor een helder, hoog-contrast beeld van het object in focus overbleef terwijl de rest van de scène wegviel. Dit bevestigde dat de optische sectie een direct gevolg was van de kwantumcorrelaties tussen de fotonen, en niet het resultaat van een fysiek filter- of scanmechanisme.

De studie onderzocht ook hoe de sterkte van dit effect kon worden afgestemd. Door de eigenschappen van het kristal dat de fotonen genereerde aan te passen, konden de onderzoekers veranderen hoe nauw de fotonen gecorreleerd waren in hun beweging. Zij ontdekten dat nauwere correlaties leidden tot een scherper brandpunt, terwijl lossere correlaties resulteerden in een breder, minder gedefinieerd brandpuntvlak. Dit suggereert dat de techniek geen vaststaand fenomeen is, maar een flexibel instrument dat kan worden geoptimaliseerd voor verschillende beeldvormingsbehoeften. Het werk vestigt de conclusie dat het vermogen om een monster met hoge precisie in lagen te snijden, geen complexe machinerie van een scannende microscoop of de fysieke beperkingen van een pinhole vereist. In plaats daarvan kan het natuurlijk voortkomen uit de manier waarop verstrengelde deeltjes worden gemeten, wat een nieuwe weg biedt voor snelle, parallelle en pinhole-vrije driedimensionale beeldvorming die op een dag de manier waarop we de microscopische wereld observeren, zou kunnen revolutioneren.