Ученые утверждают, что новый квантовый микроскоп обнаруживает структуры, которые раньше невозможно было увидеть

квантовый микроскоп

Вы, наверное, видели снимки ученых, смотрящих в микроскоп на объекты, невидимые невооруженным глазом. Действительно, микроскопы необходимы для нашего понимания жизни.

Они так же необходимы для биотехнологии и медицины, например, в исследовании таких заболеваний, как COVID-19. Однако лучшие световые микроскопы натолкнулись на фундаментальный барьер — яркий лазерный свет, используемый для освещения крошечных объектов, также может их разрушить.

В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature, команда австралийских и немецких исследователей показала, что квантовые технологии предлагают решение. Мы создали квантовый микроскоп, который может мягко исследовать биологические образцы, что позволило нам наблюдать биологические структуры, которые иначе было бы невозможно увидеть.

Создание микроскопа с защитой от повреждений — долгожданная веха в международных планах развития квантовых технологий. Он представляет собой первый шаг в захватывающую новую эру микроскопии и сенсорных технологий в целом.

Проблема лазерных микроскопов.

Микроскоп был изобретен голландским производителем линз Захариасом Янссеном на рубеже XVII века. Изобретение привело к открытию бактерий, клеток и практически всей микробиологии, как мы ее теперь понимаем.

Недавнее изобретение лазеров дало новый интенсивный свет. Это сделало возможным совершенно новый подход к микроскопии. Лазерные микроскопы позволяют нам увидеть биологию с поистине изысканными деталями, в 10 000 раз меньше толщины человеческого волоса. Разработчики были удостоены Нобелевской премии по химии 2014 года и изменили наше понимание клеток и молекул, таких как ДНК, внутри них.

Однако лазерные микроскопы сталкиваются с серьезной проблемой. То самое качество, которое делает их успешными, — их интенсивность — также является их ахиллесовой пятой. Лучшие лазерные микроскопы используют свет в миллиарды раз ярче солнечного света на Земле. Как вы понимаете, это может вызвать серьезные ожоги!

В лазерном микроскопе биологические образцы могут погибнуть за секунды. Вы можете увидеть, как это происходит в реальном времени, на изображении клетки фибробласта ниже.

Квантовый микроскоп избегает этой проблемы. Он использует свойство, называемое квантовой запутанностью, которое Альберт Эйнштейн описал как «жуткое действие на расстоянии».

Запутанность — это необычный вид корреляции между частицами, в нашем случае между фотонами, составляющими лазерный луч. Мы используем его, чтобы научить фотоны, покидающие микроскоп, вести себя прилично, поступая на детектор очень упорядоченным образом. Это снижает шум.

Другим микроскопам необходимо увеличивать интенсивность лазера, чтобы улучшить четкость изображений. Снижая шум, можно улучшить четкость, не делая этого. В качестве альтернативы можно использовать менее интенсивный лазер, чтобы получить такие же характеристики микроскопа.

Ключевой задачей было создание квантовой запутанности, достаточно яркой для лазерного микроскопа. Сделать это удалось, сконцентрировав фотоны в лазерных импульсах длительностью всего несколько миллиардных долей секунды. Это привело к запутанности, которая была в 1000 миллиардов раз ярче, чем ранее использовалась при визуализации.

При использовании в микроскопе спутанный лазерный свет обеспечивал на 35 процентов большую четкость изображения, чем это было возможно без разрушения образца. Ученые использовали микроскоп, чтобы изобразить колебания молекул в живой клетке. Это позволило нам увидеть подробную структуру, которая была бы невидимой при использовании традиционных подходов.

Улучшение можно увидеть на снимках ниже. Снимки, сделанные с помощью квантового микроскопа, показывают молекулярные колебания в части дрожжевой клетки. Левое изображение использует квантовую запутанность, а правое изображение использует обычный лазерный свет. Квантовое изображение более четкое, с заметными областями, где хранятся жиры внутри клетки (темные пятна) и клеточной стенкой (полукруглая структура).