Liquid Instruments Moku:Go: Sviluppo di microscopi ad alta precisione e bassa potenza

Scopri come la strumentazione riconfigurabile sta aiutando i ricercatori ad avanzare nella microscopia HOM con agilità e velocità. 

La microscopia quantistica è un sottoinsieme dell'ottica quantistica che sfrutta i principi della meccanica quantistica, in particolare l'entanglement a due fotoni, per ottenere risoluzioni e sensibilità nell'imaging con il potenziale di superare quelle delle tecniche di microscopia classica.

In un avanzamento significativo nel campo della microscopia quantistica, i ricercatori dell'Università di Bristol nel Regno Unito hanno sviluppato una tecnica che consente una precisione submicrometrica nell'imaging di profondità. Questo nuovo metodo, dettagliato nel loro ultimo studio pubblicato su Physical Review A, utilizza fotoni entangled a due colori in una configurazione di spettroscopia Hong-Ou-Mandel (HOM). Per accelerare la loro ricerca, gli scienziati stanno utilizzando Moku:Go, un dispositivo basato su FPGA che offre una suite riconfigurabile di strumenti di test e misurazione. Sfruttando gli strumenti Data Logger e Oscilloscopio, il team ha sviluppato un modo innovativo per utilizzare la meccanica quantistica per immaginare campioni con alta risoluzione in profondità.


La sfida
Le tecniche di imaging tradizionali, come la microscopia a fascio di elettroni o la microscopia ottica, spesso richiedono alti livelli di illuminazione per ottenere una risoluzione ottimale. Tuttavia, l'alta potenza può generare una serie di problemi, tra cui comportamenti non lineari nei materiali, danni ai tessuti biologici sensibili e fotodegradazione. Questo è particolarmente problematico quando si osservano cellule vive o altri campioni in loco, quindi deve essere utilizzato un metodo più delicato, idealmente uno che possa raggiungere lo stesso livello di precisione delle tecniche di imaging tradizionali. Il gruppo del Dr. Jonathan Matthews a Bristol sta cercando di sviluppare una tecnica del genere sfruttando la tecnologia quantistica, una che possa raggiungere livelli simili di precisione ma con un consumo di energia inferiore.

La soluzione
L'innovazione del team risiede nell'uso della microscopia HOM per l'imaging, che sfrutta l'interferenza quantistica. In questa configurazione, vengono prima creati coppie di fotoni entangled. Queste coppie di fotoni sono inviate lungo diversi percorsi ottici e poi passano attraverso uno splitter di fascio prima di arrivare a due diversi fotorilevatori. Le informazioni sulla differenza nei percorsi ottici possono essere dedotte dai tempi di arrivo relativi delle coppie di fotoni monitorando l'uscita di intensità dell'interferometro. Questo setup permette a uno dei percorsi di funzionare come un microscopio a trasmissione, con le informazioni sulla profondità del campione sondate e trasportate da uno dei fotoni nella coppia.

Il gruppo ha anche regolato la separazione delle lunghezze d'onda di questi fotoni entangled riscaldando il cristallo utilizzato per produrli, creando coppie di fotoni a due colori e permettendo loro di trovare la risoluzione ottimale per il loro microscopio. Tuttavia, come mostrato in Figura 1a, il setup ottico necessario per implementare tale schema è complesso. Un fascio laser a 404 nm viene prima inviato attraverso uno splitter di fascio polarizzante per dividerlo in due percorsi. Questi due fasci sono utilizzati per pompare un cristallo (ppKTP) da due direzioni separate, che emette coppie di fotoni come risultato. Questi fotoni vengono poi entangled facendoli passare attraverso un altro splitter di fascio parziale, e infine accoppiati in fibre a singolo modo.

Per mantenere il percorso di generazione delle coppie di fotoni bloccato in fase, un laser CW a 750 nm passa in senso inverso attraverso il setup fino a una coppia separata di fotorilevatori. L'uscita di questi fotorilevatori è monitorata con il Data Logger di Moku:Go, che può rilevare un fallimento del blocco di fase durante l'esperimento. Il Dr. Cyril Torre, un ricercatore nel laboratorio del Dr. Jonathan Mathews del gruppo dell'Università di Bristol, afferma che Moku:Go è stato un grande vantaggio per la sua ricerca.

"Abbiamo utilizzato l'Oscilloscopio [Moku] per assicurarci che il sistema fosse bloccato alla frequenza corretta", ha detto. "Abbiamo scelto Moku:Go perché non avevamo bisogno di specifiche super - avevamo bisogno di un multi-strumento. È molto facile da usare."

Dopo la generazione, le coppie di fotoni entangled passano al setup di microscopia, come mostrato in Figura 1b. Un percorso ottico trasmette attraverso il campione prima della ricombinazione con il suo partner, utilizzando la tecnica HOM descritta sopra. Una serie di fotorilevatori analizza quindi i risultati.

Figura 1: Il setup sperimentale utilizzato negli esperimenti. (a) Generazione di coppie di fotoni, utilizzando un laser a 404 nm in combinazione con un cristallo ppKTP e uno splitter di fascio polarizzante. Le coppie entangled risultanti passano attraverso le uscite A e B. (b) Il microscopio HOM. Un percorso del fascio passa attraverso il campione mentre l'altro entra direttamente nel PBS. Le coppie risultanti sono raccolte da una serie di fotorilevatori.

Il risultato
Il gruppo ha dimostrato l'efficacia della microscopia HOM a due colori immaginando un campione semitrasparente con caratteristiche di profondità variabili. Il gruppo ha eseguito una scansione raster sulla superficie del campione, suddividendolo in 4.000 pixel e sondando la profondità di ciascuno di essi. Il risultato, insieme a un'immagine ottenuta con un microscopio ottico convenzionale, è mostrato in Figura 2. La precisione della misurazione utilizzando il setup HOM è stata stimata intorno a 1 μm, sebbene questo valore possa essere regolato modificando la differenza di frequenza tra le coppie di fotoni. L'approccio del gruppo riduce significativamente l'intensità di illuminazione richiesta per l'imaging, raggiungendo le prestazioni della spettroscopia a super-risoluzione con un'intensità di sonda di soli 10-8 W/cm2, che è da 8 a 12 ordini di grandezza inferiore rispetto alla potenza richiesta per ottenere tale precisione con tecniche classiche.

Figura 2: Un confronto tra la misurazione HOM a due colori e l'imaging classico. Sinistra: Ricostruzione 3D del campione utilizzando la profondità calcolata per ogni pixel. La risoluzione assiale stimata è di circa 1 μm. Destra: Un'immagine del campione ottenuta con un microscopio ottico classico.

Il Dr. Torre e i suoi colleghi hanno sviluppato un sistema di imaging ottico che sfrutta la potenza delle coppie di fotoni entangled a due colori. Il risultato è un microscopio HOM con precisione sub-micrometrica, bassi requisiti di illuminazione e un intervallo dinamico variabile, che rappresenta un sostanziale vantaggio per lo studio di campioni biologici fotosensibili e materiali.

Guardando al futuro, il Dr. Torre vede spazio per soluzioni riconfigurabili come Moku di diventare comuni.

"Abbiamo anche un Moku:Pro e due dispositivi Moku:Lab che sono attualmente utilizzati in altri esperimenti nel nostro gruppo," ha detto. "Stanno funzionando molto bene. Ci piace il software Moku e gli aggiornamenti regolari."