L’imaging quantistico che utilizza coppie di fotoni offre alla scienza medica un’identificazione molecolare senza precedenti e non invasiva
L’imaging nel medio infrarosso sta aprendo stimolanti opportunità nel settore biomedico, consentendo agli scienziati di monitorare e individuare in modo non invasivo biomolecole specifiche quali proteine e lipidi. Queste biomolecole possono essere identificate grazie ai loro singolari modelli di assorbimento nella gamma del medio infrarosso, la loro «impronta digitale» molecolare. Nonostante si tratti di un potente strumento per comprendere sistemi biologici complessi, un ostacolo notevole ne frena il progresso: la mancanza di fotocamere nel medio infrarosso efficienti e ad alte prestazioni.
Imaging nel medio infrarosso efficiente, compatto e affidabile
Il progetto FastGhost, finanziato dall’UE, è stato creato per affrontare questa sfida, utilizzando un approccio innovativo chiamato imaging fantasma. A differenza dell’imaging convenzionale, che si basa su fotocamere standard, l’imaging fantasma utilizza la connessione tra coppie di fotoni per creare un’immagine. Quando i fotoni del medio infrarosso colpiscono un oggetto, interagiscono con esso e raccolgono informazioni preziose sulle sue proprietà. Tuttavia, invece di utilizzare una tradizionale fotocamera nel medio infrarosso per acquisire questi dati, viene utilizzato un rilevatore a singolo pixel. Al tempo stesso, il «fotone partner» presente nello spettro della luce visibile viene rilevato da una fotocamera altamente sensibile. La correlazione delle informazioni provenienti dal rilevatore a singolo pixel e dalla fotocamera a luce visibile produce un’immagine chiara dell’oggetto. I ricercatori di FastGhost hanno perfezionato l’imaging fantasma nel medio infrarosso migliorando i principali componenti: le sorgenti di coppie di fotoni, i rilevatori a fotoni singoli e le fotocamere con diodo fotorivelatore a singolo fotone (SPAD).
Gettare le basi per condurre la tecnologia alla fase commerciale
«Ci siamo avvalsi dei protocolli dell’imaging quantistico per ridurre gli ostacoli tecnici nel rilevare in modo efficiente la luce del medio infrarosso. Sfruttare le correlazioni quantistiche di frequenza ha aperto nuove possibilità di rilevamento nel medio infrarosso utilizzando una tecnologia al silicio facilmente reperibile», osserva Valerio Flavio Gili, coordinatore del progetto. «Questo approccio ha importanti implicazioni in vari campi, tra cui l’imaging biomedico, la microscopia, la tecnologia LIDAR, il telerilevamento e la scienza forense.» La riuscita di FastGhost si basa sulla collaborazione con imprese, università e istituti di ricerca. Il team del progetto ha sviluppato dimostratori avanzati di microscopia quantistica che operano nel medio infrarosso. Tra i risultati principali, l’ottimizzazione di nuovi rilevatori a fotone singolo e nanofili superconduttori, la progettazione di fotocamere specializzate in silicio con pixel SPAD e la realizzazione di configurazioni per la microscopia quantistica a campo largo e a scansione.
Risultati impressionanti su tutti i fronti
Il film superconduttore utilizzato per fabbricare i rilevatori a fotone singolo è stato ottimizzato per estendere la gamma di lunghezze d’onda degli attuali rilevatori superconduttori a nanofili che funzionano oltre i 2 μm. «Il rilevatore ha dimostrato un’efficienza massima di circa il 70 % e una precisione temporale inferiore a 15 ps, entrambi di gran lunga superiori agli attuali valori di riferimento. Questi risultati indicano il notevole contributo proveniente da FastGhost nel rilevamento di fotoni singoli a bassa energia nel regime del basso flusso di fotoni», sottolinea Gili. Inoltre, sono stati compiuti notevoli progressi nello sviluppo dei sistemi SPAD. «Il vantaggio principale del nostro SPAD è l’integrazione di un’elettronica nel pixel con un fattore di riempimento relativamente elevato, specificamente mirato alle misurazioni delle correlazioni. Questi progressi potrebbero contribuire a rimodellare il mercato dell’imaging, guidando l’innovazione nelle applicazioni quantistiche e consentendo una svolta in ambienti a bassa luminosità come la ricerca biofotonica», spiega Gili. In termini di sorgenti di coppie di fotoni, raggiungere un’ampia ripartizione spettrale tra i fotoni nel medio infrarosso e quelli del visibile rappresenta una sfida. I cristalli di potassio titanil fosfato polarizzati periodicamente (ppKTP) sono comunemente utilizzati per questa finalità, ma oltre i 3,5 µm la loro trasparenza diminuisce. «Per risolvere questo problema, abbiamo utilizzato una sorgente a base di niobato di litio polarizzato (ppLN) per sfruttare la sua gamma nel medio infrarosso fino al valore soglia e ci siamo avvalsi delle prestazioni consolidate del materiale», osserva Gili. «Abbiamo anche testato cristalli di tiogallato d’argento, che consentono di generare coppie di fotoni con lunghezze d’onda fino a circa 12 µm. Ciò consente di accedere a una regione spettrale completamente nuova per le applicazioni di imaging e rilevamento quantistico», conclude Gili.
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