La obtención de imágenes cuánticas con pares de fotones ofrece a la ciencia médica una identificación molecular no invasiva sin precedentes
La obtención de imágenes en el infrarrojo medio está posibilitando nuevas e interesantes oportunidades en el sector biomédico, ya que permite a los científicos controlar e identificar biomoléculas concretas, como proteínas y lípidos, de forma no invasiva. Estas biomoléculas se pueden identificar por sus patrones de absorción únicos en el rango del infrarrojo medio, es decir, gracias a su «huella dactilar» molecular. A pesar de ser una herramienta eficaz para estudiar sistemas biológicos complejos, existe una limitación importante que obstaculiza los avances: la falta de cámaras de infrarrojo medio eficientes y de alto rendimiento.
Una técnica de obtención de imágenes eficaz, compacta y fiable en el infrarrojo medio
El proyecto FastGhost, financiado con fondos europeos, se puso en marcha para resolver esta limitación con un método innovador denominado «imagenología fantasma». A diferencia de las técnicas convencionales de obtención de imágenes, que se basan en el empleo de cámaras normales, la imagenología fantasma utiliza la conexión entre pares de fotones para crear una imagen. Cuando los fotones del infrarrojo medio inciden sobre un objeto, interactúan con él y recogen información valiosa sobre sus propiedades. Sin embargo, en lugar de utilizar una cámara tradicional de infrarrojo medio para registrar esos datos, se emplea un detector de un solo píxel. Mientras tanto, el «fotón compañero» en el espectro de la luz visible es detectado por una cámara de alta sensibilidad. La correlación de la información procedente del detector de un solo píxel y de la cámara de luz visible genera una imagen nítida del objeto. Los investigadores de FastGhost han perfeccionado la obtención de imágenes fantasma en el infrarrojo medio mejorando componentes básicos, a saber: las fuentes de pares de fotones, los detectores de un solo píxel y las cámaras de diodos de avalancha monofotónicos (SPAD, por sus siglas en inglés).
Preparar el terreno para llevar la tecnología a la fase comercial
«Empleamos los protocolos de imagenología cuántica para hacer frente a los obstáculos técnicos que plantea la detección eficaz de luz en el infrarrojo medio. Aprovechar las correlaciones cuánticas de frecuencia posibilitó nuevas formas de detección en el infrarrojo medio utilizando tecnología de silicio ya disponible», señala Valerio Flavio Gili, coordinador del proyecto. «Este método tiene repercusiones de gran calado para diferentes campos como, por ejemplo, la imagenología biomédica, la microscopía, la detección y medición de distancias por luz, la teledetección y la criminalística». El éxito de FastGhost se basa en la colaboración con empresas, universidades e institutos de investigación. El equipo del proyecto desarrolló demostradores avanzados de microscopía cuántica que funcionan en el infrarrojo medio. Entre sus principales logros figuran la optimización de nuevos detectores monofotónicos de nanocables superconductores, el diseño de cámaras de silicio especializadas con píxeles SPAD y la creación de equipos de microscopía cuántica de barrido y de campo amplio.
Resultados impresionantes en todos los frentes
La película superconductora empleada para fabricar los detectores monofotónicos se optimizó para ampliar el rango de longitudes de onda de los actuales detectores de nanocables superconductores que funcionan más allá de 2 μm. «El detector demostró una eficiencia de cerca del 70 % y una precisión de temporización inferior a 15 ps, que superan con creces los valores de referencia existentes. Estos resultados indican el gran avance que FastGhost puede aportar a la detección monofotónica de baja energía en el régimen de bajo flujo de fotones», recalca Gili. También se lograron avances notables en el desarrollo del conjunto SPAD. «La principal ventaja de nuestro SPAD es la integración de componentes electrónicos en el píxel con un factor de relleno relativamente alto, destinados específicamente a las mediciones de correlación. Estos avances podrían ayudar a redefinir el mercado de las técnicas de obtención de imágenes, impulsando la innovación en aplicaciones cuánticas y promoviendo desarrollos en entornos con poca luz, como la investigación biofotónica», explica Gili. En cuanto a las fuentes de pares de fotones, alcanzar una gran división espectral entre los fotones del infrarrojo medio y los del visible constituye todo un reto. Aunque los cristales de titanilfosfato de potasio periódicamente pulidos se utilizan con frecuencia para este fin, su transparencia disminuye por encima de 3,5 µm. «Para solucionarlo, utilizamos una fuente basada en niobato de litio pulido y, de este modo, aprovechar su rango en el infrarrojo medio hasta el punto de corte y basarnos en el rendimiento bien establecido del material», señala Gili. «También probamos cristales disulfuro de galio y plata, que permiten la generación de pares de fotones con longitudes de onda que se extienden hasta aproximadamente 12 µm. Esto ayuda a desbloquear toda una nueva región espectral para aplicaciones de imagenología y detección cuánticas», concluye Gili.
Palabras clave
FastGhost, infrarrojo medio, imagenología cuántica, detector monofotónico, imagenología fantasma, pares de fotones
