Quantenbildgebung mit Photonenpaaren bietet Medizin eine beispiellose, nicht-invasive molekulare ID
Die Bildgebung im mittleren Infrarotbereich eröffnet aufregende Möglichkeiten im biomedizinischen Sektor, durch die Forschende spezifische Biomoleküle wie Proteine und Lipide auf nicht-invasive Weise überwachen und bestimmen können. Diese Biomoleküle lassen sich anhand ihrer einzigartigen Absorptionsmuster im mittleren Infrarotbereich – ihrem molekularen „Fingerabdruck“ – erkennen. Obwohl es sich um ein leistungsfähiges Instrument zum Verständnis komplexer biologischer Systeme handelt, bremst ein großes Hindernis den Fortschritt: der Mangel an effizienten, leistungsstarken Kameras im mittleren Infrarotbereich.
Effiziente, kompakte und verlässliche Bildgebung im mittleren Infrarotbereich
Das EU-finanzierte Projekt FastGhost wurde ins Leben gerufen, um diese Herausforderung zu bewältigen, und zwar mit einem innovativen Ansatz, den sogenannten „Geisterbildern“. Im Gegensatz zur konventionellen Bildgebung, die sich auf Standardkameras stützt, wird bei Geisterbildern die Verbindung zwischen Photonenpaaren genutzt, um ein Bild zu erzeugen. Wenn Photonen im mittleren Infrarotbereich auf ein Objekt treffen, interagieren sie mit diesen und sammeln wertvolle Informationen über dessen Eigenschaften. Anstelle einer herkömmlichen Kamera für den mittleren Infrarotbereich zur Erfassung dieser Daten wird jedoch ein Ein-Pixel-Detektor verwendet. Unterdessen wird das „Partnerphoton“, das im sichtbaren Lichtspektrum existiert, von einer hochempfindlichen Kamera erfasst. Durch die Korrelation der Informationen des Ein-Pixel-Detektors und der Kamera für sichtbares Licht entsteht ein klares Bild des Objekts. Die Forschenden von FastGhost haben die Geisterbilder im mittleren Infrarot durch die Verbesserung von Schlüsselkomponenten – Photonenpaarquellen, Einzelphotonendetektoren und Einzelphotonen-Avalanche-Dioden-Kameras (SPAD) – vorangetrieben.
Voraussetzungen für die Kommerzialisierung der Technologie schaffen
„Wir haben Quantenbildgebungsprotokolle eingesetzt, um technische Hürden bei der effizienten Erfassung von Licht im mittleren Infrarotbereich zu überwinden. Die Nutzung von Quantenfrequenzkorrelationen eröffnete neue Möglichkeiten für die Detektion im mittleren Infrarotbereich mit leicht verfügbarer Siliziumtechnologie“, kommentiert Projektkoordinator Valerio Flavio Gili. „Dieser Ansatz hat wichtige Auswirkungen auf eine Reihe von Bereichen wie biomedizinische Bildgebung, Mikroskopie, LIDAR, Fernerkundung und Forensik.“ Der Erfolg von FastGhost beruht auf der Zusammenarbeit mit Unternehmen, Universitäten und Forschungseinrichtungen. Das Projektteam entwickelte fortgeschrittene Quantenmikroskopie-Demonstratoren, die im mittleren Infrarotbereich arbeiten. Zu den wichtigsten Errungenschaften gehörten die Optimierung neuer supraleitender Nanodraht-Einzelphotonendetektoren, der Entwurf spezieller Siliziumkameras mit SPAD-Pixeln und die Entwicklung von Konfigurationen zur Weitfeld- und Raster-Quantenmikroskopie.
Beeindruckende Ergebnisse an allen Fronten bereitstellen
Der supraleitende Film, der für die Herstellung der Einzelphotonendetektoren verwendet wurde, wurde optimiert, um den Wellenlängenbereich der derzeitigen supraleitenden Nanodrahtdetektoren zu erweitern, die über 2 μm hinausgehen. „Der Detektor wies eine Effizienz von bis zu 70 % und eine Zeitgenauigkeit von weniger als 15 ps auf – beides übertrifft bestehende Benchmarks bei weitem. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass FastGhost die Einzelphotonendetektion bei niedriger Energie und geringem Photonenfluss extrem verbessern kann“, betont Gili. Auch bei der Entwicklung von SPAD-Arrays wurden erhebliche Fortschritte erzielt. „Der Hauptvorteil unseres SPAD ist die Integration von In-Pixel-Elektronik mit relativ hohem Füllfaktor, die speziell für Korrelationsmessungen geeignet ist. Diese Fortschritte könnten dazu beitragen, den Bildgebungsmarkt neu zu gestalten, Innovationen bei Quantenanwendungen voranzutreiben und Durchbrüche in lichtschwachen Umgebungen wie der Biophotonik-Forschung zu unterstützen“, erklärt Gili. Was die Photonenpaarquellen betrifft, so ist es schwierig, eine große spektrale Aufteilung zwischen Photonen im mittleren Infrarot- und im sichtbaren Bereich zu erreichen. Für diesen Zweck werden üblicherweise periodisch gepolte Kaliumtitanylphosphat-Kristalle (ppKTP) verwendet, deren Transparenz oberhalb von 3,5 µm abnimmt. „Um dieses Problem zu lösen, haben wir eine Quelle auf der Basis von gepoltem Lithiumniobat (ppLN) verwendet, um den mittleren Infrarotbereich bis zur Hell-Dunkel-Grenze auszunutzen und auf der bewährten Leistung des Werkstoffs aufzubauen“, bemerkt Gili. „Wir haben auch Silberthiogallatkristalle erprobt, die die Erzeugung von Photonenpaaren bei Wellenlängen bis zu etwa 12 µm möglich machen. Dies trägt dazu bei, einen völlig neuen Spektralbereich für Quantenbildgebungs- und -sensoranwendungen zu erschließen“, so Gili abschließend.
Schlüsselbegriffe
FastGhost, mittleres Infrarot, Quantenbildgebung, Einzelphotonendetektor, Geisterbilder, Photonenpaare
