Newswise – En utilisant un phénomène « terrifiant » de la physique quantique, les chercheurs de Caltech ont découvert un moyen de doubler la résolution des microscopes optiques.
Dans un article paru dans la revue Communication Nature, une équipe dirigée par Lihong Wang, professeur Brin de génie médical et de génie électrique, montre que la microscopie fait un bond en avant grâce à ce que l’on appelle l’intrication quantique. L’intrication quantique est un phénomène dans lequel deux particules sont liées de telle sorte que l’état d’une particule est lié à l’état de l’autre, que les particules soient proches l’une de l’autre ou non. Albert Einstein a qualifié l’intrication quantique d' »action effrayante à distance » parce qu’elle ne pouvait pas être expliquée par sa théorie de la relativité.
Selon la théorie quantique, tout type de particule peut s’emmêler. Dans le cas de la nouvelle technique de microscopie de Wang, appelée microscopie quantique aléatoire (QMC), les particules intriquées sont des photons. Collectivement, deux photons intriqués sont connus sous le nom de biphoton et, ce qui est important pour le photon microscopique de Wang, ils se comportent à certains égards comme une seule particule avec deux fois l’impulsion d’un seul photon.
Puisque la mécanique quantique dit que toutes les particules sont aussi des ondes et que la longueur d’onde d’une onde est inversement proportionnelle à l’impulsion de la particule, les particules avec les plus grandes impulsions ont les plus petites longueurs d’onde. Par conséquent, puisque le biphoton a deux fois l’impulsion du photon, sa longueur d’onde est égale à la moitié de la longueur des photons individuels.
C’est la clé du fonctionnement de QMC. Un microscope ne peut imager que les caractéristiques d’un objet dont la taille minimale est la moitié de la longueur d’onde de la lumière utilisée par le microscope. La réduction de la longueur d’onde de cette lumière signifie que le microscope peut voir des objets plus petits, ce qui améliore la résolution.
L’intrication quantique n’est pas le seul moyen de réduire la longueur d’onde de la lumière utilisée dans un microscope. La lumière verte a une longueur d’onde plus courte que la lumière rouge, par exemple, et la lumière violette a une longueur d’onde plus courte que la lumière verte. Mais à cause d’une autre bizarrerie de la physique quantique, la lumière avec des longueurs d’onde plus courtes transporte plus d’énergie. Par conséquent, une fois que vous atteignez la lumière avec une longueur d’onde suffisamment petite pour photographier de petits objets, la lumière transporte tellement d’énergie qu’elle endommagera les objets photographiés, en particulier les organismes vivants tels que les cellules. C’est pourquoi les rayons ultraviolets, qui ont une longueur d’onde très courte, provoquent des coups de soleil.
QMC va au-delà de cette limite en utilisant des photons qui transportent une énergie plus faible pour les photons à plus grande longueur d’onde tout en ayant une longueur d’onde plus courte pour les photons à plus haute énergie.
« Les cellules n’aiment pas la lumière UV », dit Wang. « Mais si nous pouvons utiliser une lumière de 400 nanomètres pour imager la cellule et obtenir l’effet de 200 nanomètres de lumière, qui est la lumière UV, alors les cellules seront heureuses et nous obtenons une résolution UV. »
Pour y parvenir, l’équipe de Wang a construit un dispositif optique qui fait briller la lumière laser dans un type spécial de cristal qui convertit certains des photons qui le traversent en deux photons. Même avec ce cristal spécial, la conversion est très rare et se produit dans environ un photon sur un million. À l’aide d’une série de miroirs, de lentilles et de prismes, chaque biphoton – qui est en fait composé de deux photons distincts – est divisé et déplacé le long de deux chemins, de sorte que l’un des photons appariés traverse l’objet imagé et l’autre pas. . Un photon qui traverse l’objet s’appelle un photon signal, et un photon qui ne passe pas s’appelle un photon inactif. Ces photons continuent ensuite à travers d’autres optiques jusqu’à ce qu’ils atteignent un détecteur relié à un ordinateur, qui construit une image de la cellule basée sur les informations portées par le photon signal. Étonnamment, les photons couplés restent intriqués tandis que le biphoton se comporte à la moitié de la longueur d’onde malgré la présence de l’objet et leurs chemins séparés.
Le laboratoire de Wang n’a pas été le premier à travailler sur ce type d’imagerie biphotonique, mais il a été le premier à créer un système viable utilisant ce concept. « Nous avons développé ce que nous pensons être une théorie rigoureuse ainsi qu’un moyen plus rapide et plus précis de mesurer la synapse. Nous avons atteint une résolution microscopique et des cellules imagées. »
Bien qu’il n’y ait pas de limite théorique au nombre de photons qui peuvent s’emmêler, chaque photon supplémentaire augmentera l’impulsion du multiplicateur de photons résultant tout en diminuant sa longueur d’onde.
Des recherches futures pourraient permettre l’enchevêtrement de plus de photons, dit Wang, bien qu’il note que chaque photon supplémentaire réduit la probabilité d’un enchevêtrement réussi, qui, comme mentionné précédemment, est déjà aussi faible qu’une chance sur un million.
L’article décrivant le travail, « Microscopie quantitative des cellules aux limites de Heisenberg », est paru dans le numéro du 28 avril de Communication Nature. Les co-auteurs sont Zhe He et Yide Zhang, tous deux associés de recherche postdoctoraux en génie biomédical; étudiant diplômé en génie médical (MS ’21) Shen Tong; et Lei Li (PhD ’19), auparavant chercheur postdoctoral en génie biomédical et maintenant professeur adjoint de génie électrique et informatique à l’Université Rice.
La recherche a été financée par l’Initiative Chan Zuckerberg et les National Institutes of Health.
