Un défaut quantique fluorescent brillant peut être un outil pour améliorer les systèmes d'imagerie biomédicale actuels, en regardant des tumeurs encore plus petites à travers l'émission de défauts. Crédit :Belcher Lab
L'informatique quantique et la cryptographie quantique devraient offrir des capacités beaucoup plus élevées que leurs homologues classiques. Par exemple, la puissance de calcul dans un système quantique peut croître à une vitesse double exponentielle au lieu d'une vitesse linéaire classique en raison de la nature différente de l'unité de base, le qubit (bit quantique). Les particules enchevêtrées permettent les codes incassables pour des communications sécurisées. L'importance de ces technologies a motivé le gouvernement américain à légiférer sur la National Quantum Initiative Act, qui autorise 1,2 milliard de dollars sur les cinq prochaines années pour le développement de la science de l'information quantique.
Les photons uniques peuvent être une source de qubit essentielle pour ces applications. Pour obtenir une utilisation pratique, les photons uniques doivent être dans les longueurs d'onde des télécommunications, qui vont de 1, 260-1, 675 nanomètres, et l'appareil doit être fonctionnel à température ambiante. À ce jour, seul un seul défaut quantique fluorescent dans les nanotubes de carbone possède les deux caractéristiques simultanément. Cependant, la création précise de ces défauts uniques a été entravée par des méthodes de préparation qui nécessitent des réactifs spéciaux, sont difficiles à contrôler, avance lentement, générer des défauts non émissifs, ou sont difficiles à mettre à l'échelle.
Maintenant, recherche d'Angela Belcher, chef du département de génie biologique du MIT, Membre de l'Institut Koch, et le professeur James Crafts de génie biologique, et post-doctorant Ching-Wei Lin, publié en ligne dans Communication Nature , décrit une solution simple pour créer des émetteurs monophotoniques à base de nanotubes de carbone, connus sous le nom de défauts quantiques fluorescents.
"Nous pouvons maintenant synthétiser rapidement ces défauts quantiques fluorescents en une minute, en utilisant simplement de l'eau de Javel et de la lumière, " dit Lin. " Et nous pouvons les produire à grande échelle facilement. "
L'immersion d'un nanotube de carbone dans de l'eau de Javel produit un atome d'oxygène (rouge) qui réagit avec les atomes de carbone (noir) du nanotube, formant un défaut quantique fluorescent lorsqu'il est irradié avec de la lumière ultraviolette. Crédit :Belcher Lab
Le laboratoire de Belcher a démontré cette méthode étonnamment simple avec un minimum de défauts non fluorescents générés. Des nanotubes de carbone ont été immergés dans de l'eau de Javel puis irradiés avec de la lumière ultraviolette pendant moins d'une minute pour créer les défauts quantiques fluorescents.
La disponibilité des défauts quantiques fluorescents de cette méthode a considérablement réduit la barrière pour la traduction des études fondamentales en applications pratiques. Pendant ce temps, les nanotubes deviennent encore plus brillants après la création de ces défauts fluorescents. En outre, l'excitation/émission de ces nanotubes de carbone défectueux est décalée vers la région dite infrarouge à ondes courtes (900-1, 600 nm), qui est une fenêtre optique invisible qui a des longueurs d'onde légèrement plus longues que le proche infrarouge ordinaire. Quoi de plus, les opérations à des longueurs d'onde plus longues avec des émetteurs de défauts plus brillants permettent aux chercheurs de voir à travers les tissus plus clairement et plus profondément pour l'imagerie optique. Par conséquent, les sondes optiques à base de nanotubes de carbone défectueux (généralement pour conjuguer les matériaux de ciblage à ces nanotubes de carbone défectueux) amélioreront considérablement les performances d'imagerie, permettant la détection et les traitements du cancer tels que la détection précoce et la chirurgie guidée par l'image.
Les cancers étaient la deuxième cause de décès aux États-Unis en 2017. Extrapolé, cela fait environ 500, 000 personnes meurent du cancer chaque année. L'objectif du Belcher Lab est de développer des sondes très lumineuses qui fonctionnent à la fenêtre optique optimale pour regarder de très petites tumeurs, principalement sur les cancers de l'ovaire et du cerveau. Si les médecins peuvent détecter la maladie plus tôt, le taux de survie peut être considérablement augmenté, selon les statistiques. Et maintenant, le nouveau défaut quantique fluorescent brillant peut être le bon outil pour mettre à niveau les systèmes d'imagerie actuels, en regardant des tumeurs encore plus petites à travers l'émission de défauts.
"Nous avons démontré une visualisation claire de la structure vasculaire et des systèmes lymphatiques en utilisant 150 fois moins de sondes par rapport à la génération précédente de systèmes d'imagerie, " Belcher dit, "Cela indique que nous avons fait un pas en avant vers la détection précoce du cancer."
En collaboration avec des contributeurs de l'Université Rice, les chercheurs peuvent identifier pour la première fois la distribution des défauts quantiques dans les nanotubes de carbone à l'aide d'une nouvelle méthode de spectroscopie appelée spectroscopie de variance. Cette méthode a aidé les chercheurs à surveiller la qualité du défaut quantique contenu dans les nanotubes de carbone et à trouver plus facilement les paramètres synthétiques corrects.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
