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