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Usando um fenômeno “assustador” da física quântica, os pesquisadores da Caltech descobriram uma maneira de dobrar a resolução dos microscópios de luz.
Em artigo publicado na revista Natureza Comunicações, uma equipe liderada por Lihong Wang, Bren Professor de Engenharia Médica e Engenharia Elétrica, mostra a conquista de um salto na microscopia através do que é conhecido como emaranhamento quântico. O emaranhamento quântico é um fenômeno no qual duas partículas estão ligadas de tal forma que o estado de uma partícula está ligado ao estado da outra partícula, independentemente de as partículas estarem próximas umas das outras. Albert Einstein se referiu ao emaranhamento quântico como “ação assustadora à distância” porque não poderia ser explicado por sua teoria da relatividade.
De acordo com a teoria quântica, qualquer tipo de partícula pode ser emaranhada. No caso da nova técnica de microscopia de Wang, batizada de microscopia quântica por coincidência (QMC), as partículas emaranhadas são os fótons. Coletivamente, dois fótons emaranhados são conhecidos como bifótons e, importante para a microscopia de Wang, eles se comportam de certa forma como uma única partícula que tem o dobro do momento de um único fóton.
Como a mecânica quântica diz que todas as partículas também são ondas e que o comprimento de onda de uma onda está inversamente relacionado ao momento da partícula, as partículas com momentos maiores têm comprimentos de onda menores. Portanto, como um bifóton tem o dobro do momento de um fóton, seu comprimento de onda é metade do dos fótons individuais.
Essa é a chave para o funcionamento do QMC. Um microscópio só pode obter imagens das características de um objeto cujo tamanho mínimo é metade do comprimento de onda da luz usado pelo microscópio. Reduzir o comprimento de onda dessa luz significa que o microscópio pode ver coisas ainda menores, o que resulta em maior resolução.
O emaranhamento quântico não é a única maneira de reduzir o comprimento de onda da luz usada em um microscópio. A luz verde tem um comprimento de onda menor que a luz vermelha, por exemplo, e a luz roxa tem um comprimento de onda menor que a luz verde. Mas devido a outra peculiaridade da física quântica, a luz com comprimentos de onda mais curtos transporta mais energia. Então, uma vez que você desça para a luz com um comprimento de onda pequeno o suficiente para criar imagens de coisas minúsculas, a luz carrega tanta energia que danificará os itens que estão sendo visualizados, especialmente coisas vivas, como células. É por isso que a luz ultravioleta (UV), que tem um comprimento de onda muito curto, provoca queimaduras solares.
O QMC contorna esse limite usando bifótons que carregam a energia mais baixa dos fótons de comprimento de onda mais longo, enquanto têm o comprimento de onda mais curto dos fótons de energia mais alta.
“As células não gostam de luz ultravioleta”, diz Wang. “Mas se pudermos usar luz de 400 nanômetros para obter a imagem da célula e obter o efeito da luz de 200 nm, que é UV, as células ficarão felizes e obteremos a resolução de UV”.
Para conseguir isso, a equipe de Wang construiu um aparato óptico que emite luz laser em um tipo especial de cristal que converte alguns dos fótons que passam por ele em bifótons. Mesmo usando esse cristal especial, a conversão é muito rara e ocorre em cerca de um em um milhão de fótons. Usando uma série de espelhos, lentes e prismas, cada bifóton – que na verdade consiste em dois fótons discretos – é dividido e transportado ao longo de dois caminhos, de modo que um dos fótons emparelhados passa pelo objeto sendo fotografado e o outro não. não. O fóton que passa pelo objeto é chamado de fóton de sinal, e o que não passa é chamado de fóton intermediário. Esses fótons então continuam por mais óticas até chegarem a um detector conectado a um computador que constrói uma imagem da célula com base nas informações transportadas pelo fóton de sinal. Surpreendentemente, os fótons emparelhados permanecem emaranhados como um bifóton se comportando na metade do comprimento de onda, apesar da presença do objeto e de seus caminhos separados.
O laboratório de Wang não foi o primeiro a trabalhar com esse tipo de imagem de bifótons, mas foi o primeiro a criar um sistema viável usando o conceito. “Desenvolvemos o que acreditamos ser uma teoria rigorosa, bem como um método de medição de emaranhamento mais rápido e preciso. Alcançamos uma resolução microscópica e imagens de células.”
Embora não haja limite teórico para o número de fótons que podem ser emaranhados, cada fóton adicional aumentaria ainda mais o momento do multifóton resultante, diminuindo ainda mais seu comprimento de onda.
Wang diz que pesquisas futuras podem permitir o emaranhamento de ainda mais fótons, embora ele observe que cada fóton extra reduz ainda mais a probabilidade de um emaranhamento bem-sucedido, que, como mencionado acima, já é tão baixo quanto uma chance em um milhão.
O artigo que descreve o trabalho, “Quantum Microscopy of Cells at the Heisenberg Limit”, foi publicado na edição de 28 de abril da Natureza Comunicações. Os co-autores são Zhe Heand Yide Zhang, ambos pesquisadores de pós-doutorado associados em engenharia médica; estudante de pós-graduação em engenharia médica Xin Tong (MS ’21); e Lei Li (PhD ’19), ex-bolsista de pós-doutorado em engenharia médica e agora professora assistente de engenharia elétrica e de computação na Rice University.
O financiamento para a pesquisa foi fornecido pela Chan Zuckerberg Initiative e pelo National Institutes of Health.
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