Pendekatan yang dikembangkan di MIT mengatasi masalah lama hamburan cahaya di jaringan biologis dan bahan kompleks lainnya.
Masalah memperoleh gambar lapisan dalam jaringan biologis telah lama tetap kompleks. Cahaya biasanya tersebar dalam bahan yang kompleks seperti jaringan biologis, dan dipantulkan di dalamnya sampai kembali pada berbagai sudut. Ini mengganggu fokus mikroskop optik, mengurangi resolusi dan kedalaman pencitraan. Penggunaan cahaya dengan panjang gelombang yang meningkat membantu mengurangi hamburan, tetapi juga mengurangi resolusi.
Sekarang, alih-alih mencoba menghindari penyebaran, para peneliti MIT telah mengembangkan teknologi yang menggunakan fenomena ini untuk tujuan mereka sendiri. Teknologi yang mereka gambarkan dalam sebuah makalah yang diterbitkan dalam jurnal Science memungkinkan penggunaan hamburan cahaya untuk meningkatkan resolusi gambar dengan faktor 10 dibandingkan dengan sistem yang ada.
Kemampuan mikroskop konvensional dibatasi oleh
batas difraksi , yang tidak memungkinkan pemfokusan lebih akurat daripada resolusi tertentu. Teknologi baru ini memungkinkan Anda mengambil gambar dengan "resolusi super optik" yang mengatasi batasan ini.
Ini dapat digunakan untuk meningkatkan citra biomedis, misalnya, lebih tepatnya berkonsentrasi pada sel-sel jaringan kanker. Ini juga dapat dikombinasikan dengan teknologi
optogenetik untuk merangsang sel-sel otak tertentu. Bahkan dapat digunakan dalam komputasi kuantum, menurut Dungu Kim, seorang mahasiswa pascasarjana, insinyur mesin di MIT, penulis utama pekerjaan itu.
Para peneliti pertama kali mengusulkan metode ini pada 2007 - dengan membentuk gelombang cahaya sebelum mengirimnya ke jaringan dengan cara khusus, Anda dapat mencapai pembalikan proses hamburan, dan memfokuskan cahaya pada satu titik. Namun, untuk waktu yang lama, itu tidak mungkin untuk mengambil keuntungan dari metode ini karena kesulitan mengumpulkan informasi tentang hamburan cahaya pada bahan kompleks seperti jaringan biologis.
Untuk mendapatkan informasi ini, para peneliti telah mengembangkan berbagai teknologi untuk membuat "bintang penuntun", atau sinyal umpan balik, yang berasal dari titik-titik jaringan tertentu yang memungkinkan Anda untuk memusatkan cahaya dengan benar. Tetapi untuk saat ini, pendekatan ini telah memberikan resolusi yang kurang dari batas difraksi, kata Kim.
Untuk meningkatkan resolusi, Kim dan penulis bersama Dirk Inglund, seorang profesor di Departemen Teknik Elektro dan Ilmu Komputer di MIT dan Laboratorium Penelitian Elektronik, mengembangkan sesuatu yang disebut "quantum reference beacon (QRB)".
OKM dibuat menggunakan
lowongan yang tersubstitusi nitrogen dalam intan (pusat NV). Cacat molekuler kecil ini di kisi kristal berlian menunjukkan fluoresensi alami, yaitu, mereka memancarkan cahaya ketika bersemangat oleh sinar laser.
Selain itu, ketika terpapar pada OKM dengan medan magnet, masing-masing beresonansi pada frekuensi spesifiknya. Dengan mengirimkan sinyal gelombang mikro dari frekuensi resonansi yang sama ke sampel jaringan seperti yang diamati untuk OKM tertentu, para peneliti dapat secara selektif mengubah fluoresensi.
"Bayangkan seorang pilot mencoba menavigasi kapal di malam hari ke tujuannya," kata Kim. "Jika dia melihat tiga suar memberi mereka sinyal, dia mungkin bingung." Tetapi jika salah satu mercusuar menyala dengan sengaja, itu akan mengarahkan dirinya sendiri, ”katanya.
Dalam hal ini, pusat NV beroperasi sebagai suar, memancarkan cahaya neon. Dengan memodulasi fluoresensi suar tertentu, para peneliti membuat sinyal on / off dan dapat menentukan lokasi suar ini di jaringan. "Kita dapat mengambil lokasi dari mana cahaya berasal, dan berdasarkan ini, pahami bagaimana cahaya menyebar dalam material yang kompleks," kata Kim.
Para peneliti kemudian menggabungkan informasi yang diperoleh dari semua OKM dan membuat profil akurat dari pola hamburan di jaringan. Menggunakan gambar ini dengan
modulator cahaya spasial - alat yang digunakan untuk menghasilkan hologram dengan memanipulasi cahaya - Anda dapat membentuk sinar laser untuk mengimbangi hamburan yang terjadi di dalam jaringan. Kemudian laser akan dapat fokus dengan superresolusi pada titik di dalam jaringan.
Seperti yang diterapkan pada masalah biologi, para peneliti menyarankan bahwa nanodiamonds yang ditangguhkan dapat dimasukkan ke dalam jaringan, yang akan memainkan peran
agen kontras yang digunakan dalam beberapa metode untuk mendapatkan gambar jaringan. Atau, label molekuler yang melekat pada berlian nanopartikel dapat mengantarkannya ke jenis sel tertentu.
OKM juga dapat digunakan sebagai qubit untuk sensor kuantum dan pemrosesan informasi kuantum, kata Kim. "OKM dapat digunakan sebagai bit kuantum untuk menyimpan informasi kuantum, sehingga kita dapat melakukan komputasi kuantum," katanya.
Mendapatkan gambar superresolusi dalam media hamburan kompleks sebelumnya sulit karena kurangnya "bintang penuntun" yang akan memberikan lokasi mereka dengan akurasi subdiffraksi, kata Vonshik Choi, seorang profesor fisika di Universitas Korea yang tidak terkait dengan penelitian ini.
"Para peneliti telah mengembangkan metode yang elegan untuk mengoperasikan OKM berdasarkan pusat NV dalam nanodiamond sebagai bintang penuntun," katanya. "Pekerjaan ini membuka kemungkinan baru untuk mendapatkan gambar lapisan jaringan dalam dengan superresolusi dan pemrosesan informasi kuantum dalam layanan nano lebih kecil daripada panjang gelombang."
Sekarang, para peneliti berharap untuk mengeksplorasi kemungkinan menggunakan keterikatan kuantum dan jenis semikonduktor lainnya sebagai OKM, kata Kim.