L'interprétation d'un artiste de l'imagerie fantôme. Dans cette technique de recherche, les scientifiques ont divisé un faisceau de rayons X (représenté par la ligne rose épaisse) en deux flux de photons intriqués (lignes roses plus fines). Un seul de ces flux de photons traverse l'échantillon scientifique (représenté par le cercle clair), mais les deux recueillent des informations. En divisant le faisceau, l'échantillon étudié n'est exposé qu'à une fraction de la dose de rayons X. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) ont commencé à construire un microscope à rayons X à amélioration quantique à la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). Ce microscope révolutionnaire, soutenu par le programme de recherche biologique et environnementale du Bureau des sciences du DOE, permettra aux chercheurs d'imager des biomolécules comme jamais auparavant.
NSLS-II est une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science où les chercheurs utilisent des rayons X puissants pour « voir » la structure, chimique, et la composition électronique des matériaux jusqu'à l'échelle atomique. La lumière ultra-brillante de l'installation permet déjà des découvertes en biologie, aider les chercheurs à découvrir les structures des protéines pour éclairer la conception de médicaments pour diverses maladies, pour ne citer qu'un exemple.
Maintenant, en puisant dans les propriétés quantiques des rayons X, les chercheurs du NSLS-II pourront imager des biomolécules plus sensibles sans sacrifier la résolution. Alors que le pouvoir de pénétration élevé des rayons X permet une résolution supérieure pour les études d'imagerie, cette lumière puissante peut également endommager certains échantillons biologiques, comme les cellules végétales, virus, et les bactéries. Les études aux rayons X à faible dose peuvent préserver ces échantillons, mais la résolution d'imagerie est réduite.
« Si nous parvenons à construire un microscope à rayons X à amélioration quantique, nous pourrons imager des biomolécules à très haute résolution et à très faible dose de rayons X, " a déclaré Sean McSweeney, responsable du programme de biologie structurale à NSLS-II.
Le microscope à rayons X amélioré quantique du NSLS-II réalisera cette remarquable combinaison de capacités grâce à une technique expérimentale appelée imagerie fantôme. Par rapport aux techniques d'imagerie par rayons X typiques, qui envoient un faisceau unique de photons (particules de lumière) à travers un échantillon et sur un détecteur, l'imagerie fantôme nécessite que le faisceau de rayons X soit divisé en deux flux de photons intriqués, dont un seul traverse l'échantillon, mais les deux recueillent des informations.
"Un flux traverse l'échantillon et est collecté par un détecteur qui enregistre les photons avec une bonne résolution temporelle, tandis que l'autre flux de photons code la direction exacte dans laquelle les photons se propagent, " a déclaré Andrei Fluerasu, scientifique en chef de la ligne de lumière à la ligne de lumière à diffusion cohérente des rayons X durs (CHX) du NSLS-II, où le microscope sera développé. "Cela ressemble à de la magie. Mais avec des calculs mathématiques, nous pourrons corréler les informations des deux faisceaux."
En divisant le faisceau, l'échantillon étudié n'est exposé qu'à une fraction de la dose de rayons X. Et puisque les photons qui ne traversent pas l'échantillon sont corrélés avec les photons qui le font, la résolution d'un faisceau de rayons X à dose complète est maintenue.
Des techniques d'imagerie fantôme ont déjà été développées avec succès en utilisant des photons de lumière visible, mais traduire cette technique en lumière à rayons X sera une réalisation scientifique majeure.
Le microscope à rayons X à amélioration quantique du Brookhaven Lab est en cours de développement sur la ligne de lumière CHX de NSLS-II, qui a été choisi pour sa capacité à manipuler la cohérence de la source de rayons X, permettant aux scientifiques de régler les expériences d'imagerie fantôme selon les besoins. La configuration existante de CHX était également suffisamment flexible pour s'adapter à l'ajout d'équipements nouveaux et avancés, comme un séparateur de faisceau et un nouveau détecteur. NSLS-II collaborera avec des physiciens du Brookhaven Lab et de l'Université Stony Brook sur l'intégration de ces instruments complexes.
"Ces mesures nécessiteront des détecteurs d'imagerie avec la meilleure résolution temporelle possible, " a déclaré le physicien de Brookhaven Andrei Nomerotski, "et c'est quelque chose que nous utilisons déjà pour des expériences de physique des hautes énergies, des projets d'informatique quantique comme l'astrométrie quantique, et une imagerie optique rapide."
L'équipe du projet de microscope à rayons X à amélioration quantique collaborera également avec la Computational Science Initiative (CSI) de Brookhaven sur l'analyse des données. Le département de biologie du laboratoire s'associe à NSLS-II pour concevoir des expériences qui exploitent les capacités avancées de ce microscope.
"Nos collègues en biologie à Brookhaven sont ravis de nous apporter des problèmes complexes à résoudre à l'aide de ce nouvel instrument, " a déclaré McSweeney. " Avec la participation de la physique, La biologie, et CSI, nous avons réuni une excellente équipe pour ce projet révolutionnaire."
« La solide relation de travail entre les scientifiques de la biologie et de la NSLS-II rassemble des problèmes scientifiques du monde réel et des capacités avancées, apporter des solutions de pointe aux problèmes liés à la mission du DOE, " a déclaré John Shanklin, Président du département de biologie du Laboratoire. "C'est une situation gagnant-gagnant."
L'équipe prévoit d'intégrer progressivement de nouvelles fonctionnalités à la ligne de lumière CHX au cours des deux à trois prochaines années. Le projet sera terminé après la démonstration de l'imagerie fantôme d'objets de la taille du micron avec une résolution inférieure à 10 nanomètres, qui est visé pour 2023.
