Microscópios ópticos veem menores do que nunca usando um estranho truque quântico: WebCuriosos

A resolução dos microscópios ópticos recebeu um enorme impulso graças ao uso inteligente de um fenômeno comum na física quântica.

Ao enviar luz emaranhada por diferentes caminhos e recombinar as suas ondas, é possível observar objetos delicados mais de perto do que nunca, duplicando efetivamente a sua resolução sem a complicação habitual de aumentar dramaticamente a energia da luz.

É chamada de microscopia quântica por coincidência (QMC) e foi desenvolvida por pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) nos EUA, que afirmam que é particularmente adequada para o exame de tecidos e biomoléculas para encontrar doenças ou para estudar sua propagação.

“A combinação de velocidade aprimorada, relação contraste-ruído aprimorada, resistência à luz difusa mais robusta, super resolução e iluminação de baixa intensidade capacita o QMC em direção à bioimagem”, os pesquisadores escrever em seu artigo recentemente publicado.

Emaranhamento quântico descreve correlações que existem entre objetos que possuem uma história compartilhada, antes de serem observados. Assim como dois sapatos comprados em uma loja são correlacionados para caber no pé direito e no pé esquerdo, as partículas também podem ser correlacionadas matematicamente de várias maneiras.

Somente num sistema quântico, coisas como sapatos e elétrons não se estabelecem verdadeiramente em nenhum desses estados até serem observados. São apenas probabilidades melhor descritas como uma onda de talvez.

No QMC, as partículas envolvidas eram fótons, ou partículas de luz, conhecidas como bifótons, uma vez emaranhadas em um par.

Isso foi feito através de um tipo especial de cristal feito de borato de β-bário (BBO). Quando a luz do laser brilha através do cristal, uma fração muito pequena dos fótons – apenas cerca de um em um milhão – é convertida em bifótons. Os pesquisadores conseguiram então separar novamente os bifótons, por meio de uma rede de espelhos, lentes e prismas.

Um fóton é enviado através do material em estudo, enquanto o outro fóton é analisado. Estando emaranhadas, as correlações medidas em qualquer fóton também dirão algo sobre a jornada do seu parceiro. É a base de outra tecnologia bastante nova chamada imagem fantasma.

No entanto, esta dupla ação emaranhada tem outro truque na manga. Os bifótons têm o dobro do momento dos fótons, o que também significa que seus comprimentos de onda são reduzidos à metade. Metade do comprimento de onda da luz, por sua vez, significa uma resolução mais alta para o microscópio óptico.

Normalmente, a luz com comprimentos de onda mais curtos também carrega mais energia, o que em determinado ponto pode danificar as células em estudo. Pense na diferença entre ondas de rádio inofensivas e de longo comprimento e os raios ultravioleta (UV) mais poderosos e de curta duração, que podem quebrar o DNA e causar queimaduras solares.

Neste caso, embora o processo de emaranhamento reduza efetivamente o comprimento de onda pela metade, ele não aumenta a energia dos fótons individuais.

“As células não gostam de luz ultravioleta” diz o engenheiro médico Lihong Wang, do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech). “Mas se pudermos usar luz de 400 nanômetros para obter imagens da célula e obter o efeito da luz de 200 nm, que é UV, as células ficarão felizes e obteremos a resolução UV.”

Também há espaço para melhorias neste sistema, incluindo a aceleração da imagem e a capacidade de emaranhar mais fótons, aumentando ainda mais a resolução. No entanto, adicionar mais fotões significa que a probabilidade de ocorrer um emaranhamento – já um em um milhão – diminuiria ainda mais.

Como o emaranhamento é facilmente interrompido pelas interações com o ambiente, aumentar o número de fótons em um sistema aumenta a probabilidade de os fótons individuais interagirem com o ambiente, e não entre si.

Embora a imagem bifotônica tenha sido tentei antesos pesquisadores por trás da nova configuração fizeram diversas melhorias ao longo do processo e testaram-no na prática – tornando-o uma das técnicas mais promissoras do seu tipo.

“Desenvolvemos o que acreditamos ser uma teoria rigorosa, bem como um método de medição de emaranhamento mais rápido e preciso”, diz Wang. “Alcançamos resolução microscópica e imagens de células.”

A pesquisa foi publicada em Comunicações da Natureza.