Les propriétés uniques de la physique quantique pourraient aider à résoudre un problème de longue date qui empêche les microscopes de produire des images plus nettes aux plus petites échelles, affirment les chercheurs.

Cette avancée, qui utilise des photons intriqués pour créer une nouvelle méthode de correction de la distorsion de l'image dans les microscopes, pourrait conduire à une amélioration de l'imagerie microscopique classique d'échantillons de tissus pour faire progresser la recherche médicale.

Cela pourrait également conduire à de nouvelles avancées en matière de microscopie quantique améliorée, utilisable dans un large éventail de domaines. L'article de l'équipe, intitulé "Adaptive Optical Imaging with Entangled Photons", est publié dans Science. . Des chercheurs de l'Université de Cambridge et du Laboratoire Kastler Brossel en France ont également contribué à la recherche.

Les microscopes sont des outils précieux pour les scientifiques depuis des centaines d’années. Les progrès de l'optique ont permis aux chercheurs d'obtenir des images toujours plus détaillées des structures fondamentales des cellules et des matériaux.

Cependant, à mesure que les microscopes ont gagné en complexité, ils ont commencé à se heurter aux limites de la technologie optique conventionnelle, où même de minuscules défauts dans les éléments qui résolvent les images peuvent produire des images floues.

Actuellement, un processus appelé optique adaptative est utilisé pour corriger les distorsions d’image causées par les aberrations. Les aberrations peuvent être causées par de petites imperfections dans les lentilles et autres composants optiques ou par des défauts dans l'échantillon sous le microscope.

La clé de l'optique adaptative est une « étoile guide » :un point brillant identifié dans l'échantillon au microscope qui fournit un point de référence pour détecter les aberrations. Des dispositifs appelés modulateurs spatiaux de lumière peuvent ensuite façonner la lumière et corriger ces distorsions.

Le recours aux étoiles guides pose des problèmes aux microscopes qui imagent des échantillons tels que des cellules et des tissus qui ne contiennent pas de points lumineux. Les scientifiques ont développé une optique adaptative sans étoile guide en utilisant des algorithmes de traitement d'image, mais ceux-ci peuvent échouer pour des échantillons présentant des structures complexes.

Dans le nouvel article, des chercheurs du Royaume-Uni et de la France expliquent comment ils ont utilisé des photons intriqués pour détecter et corriger les aberrations qui déforment normalement les images au microscope. Ils appellent ce processus l'optique adaptative assistée par quantique.

L'article décrit comment ils utilisent leur nouvelle technique pour corriger la distorsion et récupérer des images haute résolution d'échantillons de tests biologiques :l'embout buccal et la patte d'une abeille. Ils démontrent également la correction des aberrations pour les échantillons présentant des structures tridimensionnelles, une situation dans laquelle l'optique adaptative classique échoue souvent.

Ils ont utilisé des paires de photons intriqués pour éclairer les échantillons, leur permettant ainsi de capturer une image conventionnelle et de mesurer les corrélations quantiques en même temps.

Lorsque les paires de photons intriqués rencontrent une aberration, leur intrication – sous forme de corrélations quantiques – se dégrade. Les chercheurs montrent que la façon dont ces corrélations quantiques sont dégradées révèle en réalité des informations sur les aberrations et permet de les corriger à l'aide d'une analyse informatique sophistiquée.

Les informations contenues dans les corrélations permettent une caractérisation précise des aberrations, permettant ensuite leur correction avec un modulateur spatial de lumière. L'article montre que les corrélations peuvent être utilisées pour produire des images plus claires et à plus haute résolution que les techniques conventionnelles de microscopie en fond clair.

Patrick Cameron, de l'École de physique et d'astronomie de l'Université de Glasgow, est le premier auteur de l'article. Il a déclaré :"Les échantillons complexes tels que les tissus biologiques peuvent être difficiles à imager en utilisant les approches conventionnelles de microscopie, où la technique des étoiles brillantes peut échouer car il y a rarement des points lumineux naturels dans les tissus humains ou animaux.

"Cette recherche montre que les sources de lumière quantiques intriquées peuvent être utilisées pour sonder des échantillons d'une manière beaucoup plus difficile, voire impossible, avec la microscopie traditionnelle. L'identification et la correction des aberrations et des distorsions avec des photons intriqués nous ont permis de produire des images plus nettes sans le moindre problème. besoin d'une étoile guide."

Le Dr Hugo Defienne a commencé ses recherches à la School of Physics &Astronomy de l'Université de Glasgow avant de rejoindre l'Institut des nanosciences de Paris à Sorbonne Université, où il est désormais basé. Le Dr Defienne, dernier auteur de l'article, a déclaré :« Cette nouvelle technique pourrait être largement appliquée à toutes sortes de microscopes optiques conventionnels pour aider à améliorer l'imagerie d'un large éventail d'échantillons. Nous avons démontré son efficacité sur des échantillons biologiques, suggérant qu'elle pourrait être utilisé dans les secteurs médical et biologique à l'avenir.

"Cela pourrait également être appliqué au domaine émergent de la microscopie quantique, qui présente un énorme potentiel pour produire des images au-delà des limites de la lumière classique."

L'équipe doit encore surmonter quelques obstacles techniques avant que la technique puisse être largement adoptée dans les microscopes optiques.

Le professeur Daniele Faccio, qui dirige le groupe de recherche Extreme Light de l'Université de Glasgow, est co-auteur de l'article. Il a déclaré :« La prochaine génération de caméras et de sources lumineuses contribuera probablement à améliorer la vitesse à laquelle les images peuvent être résolues à l'aide de cette technique. Nous continuerons à travailler sur l'affinement et le développement du processus et sommes impatients de trouver de nouvelles applications concrètes pour microscopie avancée à mesure que nous progressons."

Plus d'informations : Patrick Cameron et al, Imagerie optique adaptative avec photons intriqués, Science (2024). DOI :10.1126/science.adk7825

Fourni par l'Université de Glasgow