Skip to main content
European Commission logo
polski polski
CORDIS - Wyniki badań wspieranych przez UE
CORDIS
CORDIS Web 30th anniversary CORDIS Web 30th anniversary

Fast quantum ghost microscopy in the mid-infrared

Article Category

Article available in the following languages:

Obrazowanie kwantowe wykorzystujące pary fotonów przynosi naukom medycznym bezprecedensową, nieinwazyjną metodę identyfikacji molekularną

Obrazowanie kwantowe wykorzystujące zsynchronizowane pary fotonów przewyższa klasyczne źródła światła, pozwalając wykryć szczegóły, które tradycyjne metody mogłyby przeoczyć. Chociaż takie podejście ma ogromny potencjał zastosowań praktycznych, jak dotąd było w dużej mierze ograniczone do laboratorium.

Obrazowanie w średniej podczerwieni otwiera ekscytujące możliwości dla sektora biomedycznego, umożliwiając naukowcom monitorowanie i identyfikację określonych biomolekuł, takich jak białka i lipidy, w nieinwazyjny sposób. Biomolekuły te można zidentyfikować na podstawie ich unikalnych widm absorpcji w zakresie średniej podczerwieni — ich molekularnego „odcisku palca”. Jest to potężne narzędzi, które pozwala zrozumieć złożone układy biologiczne, ale poważna przeszkoda spowalnia postępy w tej dziedzinie — brak skutecznych, wysokowydajnych kamer działających w średniej podczerwieni.

Wydajne, kompaktowe i niezawodne obrazowanie w średniej podczerwieni

Finansowany ze środków UE projekt FastGhost powstał, aby stawić czoła temu wyzwaniu, wykorzystując innowacyjne podejście zwane obrazowaniem duchów. W przeciwieństwie do konwencjonalnego obrazowania, które opiera się na standardowych kamerach, obrazowanie duchów wykorzystuje połączenie między parami fotonów do tworzenia obrazu. Gdy fotony średniej podczerwieni uderzają w obiekt, wchodzą z nim w interakcję i zbierają cenne informacje o jego właściwościach. Jednak zamiast tradycyjnej kamery w średniej podczerwieni do rejestrowania tych danych używany jest detektor jednopikselowy. W międzyczasie „foton-partner”, który istnieje w spektrum światła widzialnego jest wykrywany przez bardzo czułą kamerę. Skorelowanie informacji z detektora jednopikselowego i kamery w świetle widzialnym pozwala uzyskać wyraźny obraz obiektu. Naukowcy pracujący przy projekcie FastGhost udoskonalili obrazowanie duchów w średniej podczerwieni poprzez ulepszenie kluczowych komponentów — źródeł par fotonów, detektorów jednofotonowych i kamer z jednofotonową diodą lawinową (SPAD).

Przygotowanie fundamentów pod komercjalizację technologii

„Wykorzystaliśmy protokoły obrazowania kwantowego, aby zmniejszyć przeszkody techniczne dla skutecznego wykrywania w średniej podczerwieni. Wykorzystanie korelacji częstotliwości kwantowych otworzyło nowe możliwości wykrywania w średniej podczerwieni za pomocą łatwo dostępnej technologii krzemowej” — zauważa Valerio Flavio Gili, koordynator projektu. „Takie podejście ma istotne implikacje dla szeregu dziedzin, w tym obrazowania biomedycznego, mikroskopii, LIDAR, teledetekcji i kryminalistyki”. Sukces projektu FastGhost był możliwy dzięki współpracy z firmami, uniwersytetami i instytutami badawczymi. Zespół projektu opracował zaawansowane demonstratory mikroskopii kwantowej, które działają w średniej podczerwieni. Najważniejsze osiągnięcia obejmowały optymalizację nowych jednofotonowych detektorów z nadprzewodzącymi nanodrutami, zaprojektowanie wyspecjalizowanych kamer krzemowych z pikselami SPAD oraz stworzenie zestawów do mikroskopii kwantowej szerokokątnej i skaningowej.

Imponujące wyniki na wszystkich frontach

Nadprzewodzący film wykorzystany do produkcji detektorów jednofotonowych zoptymalizowano, aby rozszerzyć zakres długości fal obecnych detektorów z nadprzewodzącymi nanodrutami działających powyżej 2 μm. „Wykazano około 70-proc. wydajność detektora i precyzję synchronizacji czasowej poniżej 15 ps. Obie te wartości znacznie przewyższają dotychczasowe wartości odniesienia. Takie wyniki wskazują na ogromne postępy, jakie projekt FastGhost może wnieść do dziedziny niskoenergetycznego jednofotonowego wykrywania w warunkach niskiego strumienia fotonów” — podkreśla Gili. Poczyniono również znaczące postępy w pracach nad macierzą SPAD. „Główną zaletą naszego rozwiązania SPAD jest integracja elektroniki typu in-pixel o stosunkowo wysokim współczynniku wypełnienia, specjalnie ukierunkowanej na pomiary korelacji. Takie postępy mogą pomóc odmienić rynek obrazowania, przyśpieszyć innowacje w zastosowaniach kwantowych oraz umożliwić przełom w środowiskach o słabym oświetleniu, takich jak badania biofotoniczne” — wyjaśnia Gili. Jeśli chodzi o źródła par fotonów, wyzwaniem pozostaje osiągnięcie dużego rozdziału spektralnego między fotonami w średniej podczerwieni i widzialnymi. Zazwyczaj wykorzystywane do tego są kryształy ppKTP (fosforanu tytanylu potasu z periodyczną inwersją domen), ale ich przezroczystość spada w zakresie poniżej 3,5 µm. „Aby sobie poradzić z tym wyzwaniem zastosowaliśmy źródło na bazie niobanu litu z periodyczną inwersją domen (ppLN), aby wykorzystać jego zakres średniej podczerwieni aż do wartości odcięcia. Dalsze badania prowadziliśmy, wychodząc od dobrze ustalonych wartości roboczych tego materiału” — zauważa Gili. „Wypróbowaliśmy również kryształy siarczku galu i srebra (AgGaS2), które umożliwiają generację par fotonów o długościach fali wynoszącej nawet do około 12 µm. Pomaga to odblokować zupełnie nowy region spektrum do zastosowań w obrazowaniu kwantowym i wykrywaniu” — podsumowuje Gili.

Słowa kluczowe

FastGhost, średnia podczerwień, obrazowanie kwantowe, detektor jednofotonowy, obrazowanie duchów, pary fotonów

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania