Les chercheurs de la Texas A&M University ont accompli ce qui était autrefois considéré comme impossible :ils ont créé un appareil capable de réduire les fluctuations quantiques de la lumière à un chemin dirigé et l'ont utilisé pour améliorer l'imagerie de contraste.

Cette "lampe de poche" unique en son genre a été conçue pour augmenter le rapport signal sur bruit présent dans les mesures spectroscopiques de microscopie Brillouin qui enregistrent visuellement les propriétés mécaniques des structures à l'intérieur des cellules et des tissus vivants. Les résultats des tests révèlent que la nouvelle source augmente considérablement la clarté et la précision de l'image.

"Il s'agit d'une nouvelle voie de recherche", a déclaré le Dr Vladislav Yakovlev, professeur d'université au Département de génie biomédical du Collège d'ingénierie. "Nous concevons spécialement la lumière de manière à ce qu'elle puisse améliorer le contraste."

« Il s'agit d'une nouvelle étape dans les capacités de la microscopie et de l'imagerie Brillouin largement utilisées pour les systèmes biologiques », a déclaré le Dr Girish Agarwal, professeur émérite universitaire au Département de génie biologique et agricole du Collège d'agriculture et des sciences de la vie. "Et cela fait partie d'un effort international visant à développer des capteurs quantiques pour diverses applications telles que l'imagerie cérébrale, la cartographie de la structure des biomolécules et l'exploration des sources souterraines de pétrole et d'eau en concevant des gravimètres supersensibles."

Un article détaillant le travail a été publié dans Optica .

Tous les instruments capables de capturer une image ou une image capturent également les distorsions du signal, ou le bruit, dans le processus. Les distorsions peuvent provenir de trop ou trop peu de lumière et même de problèmes de luminosité ou de couleur de l'environnement autour du sujet. La plupart des bruits passent inaperçus jusqu'à ce que l'image soit suffisamment agrandie pour que l'œil nu puisse voir clairement les pixels indésirables.

La microscopie Brillouin est la limite fondamentale de l'imagerie de mesure à échelle réduite actuellement possible. Le processus vise des lasers sur des objets solides et mesure les ondes ou les signaux de vibration émis par les atomes et les structures en mouvement dans le matériau visiblement immobile.

Le bruit produit à cette échelle peut gravement obscurcir les signaux reçus, créant des images floues difficiles à interpréter. Actuellement, tous les systèmes de spectroscopie laser comme la microscopie Brillouin souffrent des distorsions de signal naturelles et techniques associées à la lumière laser, c'est pourquoi de nouvelles sources de lumière sont nécessaires.

Il y a six ans, Yakovlev a tenté d'améliorer le rapport signal sur bruit en microscopie Brillouin en utilisant des sources lumineuses intenses. Malheureusement, la surexposition à la lumière a endommagé les cellules qu'il était en train d'imager.

Yakovlev a recherché des réponses dans la littérature et a trouvé une théorie des années 1980 qui postulait que la lumière quantique pourrait résoudre le problème, bien qu'elle ne mentionne pas comment. Agarwal, un expert en physique quantique, a proposé une voie possible. Le Dr Tian Li, alors chercheur postdoctoral de l'Université du Maryland, a été embauché pour créer le premier laboratoire de lumière quantique à Texas A&M. L'espace de laboratoire a été fourni par le Dr Marlan Scully, directeur de l'Institut des sciences et de l'ingénierie quantiques.

L'équipe a dû faire face à deux défis importants :trouver des fonds pour une idée aussi folle et trouver des étudiants diplômés et des chercheurs postdoctoraux pour les aider, prêts à chevaucher les domaines de la biologie et de la physique quantique.

Après près de deux ans d'explorations vigoureuses, l'appareil est devenu un engin de table de configurations optiques complexes et d'instruments de mesure qui ont permis aux chercheurs d'ajuster, de diriger et de manipuler et de détecter efficacement la lumière. Pendant ce temps, Li a acquis une meilleure compréhension de la biologie, et Yakovlev et Agarwal ont développé un mécanisme pour créer l'état et la matière de lumière appropriés nécessaires à la réduction du bruit sans endommager les cellules vivantes.

Bien que le dispositif de compression de la lumière puisse être adopté pour d'autres mesures spectroscopiques telles que la diffusion Raman, Yakovlev et Agarwal améliorent les capacités de la microscopie Brillouin pour identifier les matériaux visqueux ou élastiques dans les systèmes biologiques. Ces systèmes contrôlent les propriétés physiques des cellules et des structures cellulaires et définissent tout, du développement cellulaire à la progression du cancer.

Voir les détails fait clairement une énorme différence dans les percées biomédicales.

"Chaque fois que vous obtenez un nouveau télescope ou quelque chose comme l'astronomie des ondes gravitationnelles, vous découvrez de nouvelles choses que vous ne pouvez pas voir sans lui", a déclaré Yakovlev. "La même chose fonctionne en biologie. Avant l'invention du microscope, nous ne savions pas que nous étions constitués de cellules individuelles."

Jusqu'à présent, seul le contraste des images de spectroscopie a été amélioré, mais Yakovlev et Agarwal travaillent déjà sur la théorie d'Agarwal pour améliorer la résolution spatiale ou les plus petits détails possibles. Et si la tâche conduit à créer un autre appareil complexe qui repousse les limites de la technologie actuelle, les chercheurs sont prêts et disposés à y arriver.

"J'adore ces types de projets où les gens vous disent que quelque chose ne fonctionnera jamais, et cela fonctionne", a déclaré Yakovlev. "J'aime les défis." + Explorer plus loin

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