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Quanten-Mikroskop sieht schärfer

Verschränkung von Photonen dämpft optisches Rauschen in der Raman-Mikroskopie

Quanten-MIkroskop
Quanten-Mikroskop: Verschränkte Photonen machen die Abbildung kleinster Strukturen mithilfe der nichtlinearen Raman-Spektroskopie kontrastschärfer. © University of Queensland

Forscher haben das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung genutzt, um kleinste Strukturen besser sichtbar zu machen. Die gekoppelten Photonen verringern Fluktuationen im Laserstrahl der Raman-Spektroskopie und unterdrücken so das optische Rauschen. Dadurch erhöht sich die Kontrastschärfe des neuen Quanten-Mikroskops um 35 Prozent, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten. Das eröffnet neue Möglichkeiten, die Struktur lebender Zellen zu untersuchen, ohne diese zu zerstören.

Ob Lichtmikroskop, Laser-Fluoreszenzmikroskop oder Röntgenlaser: Viele Techniken, mit denen wir kleinste Strukturen sichtbar machen, hängen entscheidend von den Eigenschaften des eingesetzten Lichts ab. Je fokussierter und kurzwelliger dieses Licht ist, desto feiner sind auch die noch auflösbaren Strukturen. Allerdings gibt es Grenzen: Weil die Photonen nie alle gleichzeitig und völlig geordnet auf die Probe treffen, limitiert ein optisches Rauschen die Auflösung. Zwar lässt sich dies durch höhere Strahlintensitäten wie beim Röntgenlaser ausgleichen, empfindliche Proben werden dadurch jedoch zerstört.

Quanten-Mikroskop
So sieht das auf der kohärenten nichtlinearen Raman-Spektroskopie basierende Quantenmikroskop aus. © University of Queensland

Blick ins Molekül mit der Raman-Spektroskopie

Eine Lösung haben nun Catxere Casacio von der University of Queenland und seine Kollegen entwickelt. Ansatzpunkt dafür ist die nichtlineare Raman-Spektroskopie, eine Technik, die auf der Rückstreuung von Photonen durch Moleküle des untersuchten Objekts beruht. Dafür wird die Probe mit Laserlicht bestrahlt. Dies regt die Moleküle zu Schwingungen an und verändert je nach Schwingungsmuster das Spektrum der rückgestreuten Photonen. Die Frequenzunterschiede zwischen eingestrahltem und rückgestreutem Licht verraten, wo welche Molekülstrukturen sitzen.

Weil jedoch das Signal der rückgestreuten Photonen zu schwach ist, wird bei der nichtlinearen Raman-Spektroskopie ein Interferenzeffekt zur Verstärkung eingesetzt: Man bestrahlt die Probe mit einem zweiten Laserstrahl, dessen Frequenz dem der rückgestreuten „Stokes“-Photonen entspricht. Wenn sich die Wellen beider überlagern, erzeugt dies eine Verstärkung des Signals. So weit die gängige Methode. Allerdings ist auch hierbei das optische Rauschen noch so stark, dass hohe Laserintensitäten nötig werden.

Verschränkung dämpft Rauschen

Casacio und sein Team haben nun einen quantenphysikalischen „Trick“ genutzt, um dies zu vermeiden: die Verschränkung. Die Photonen des zweiten Laserstrahls sind dadurch nicht mehr unabhängig und fluktuierend, sondern quantenphysikalisch miteinander gekoppelt. „Diese Verschränkungen unterdrücken oder ‚quetschen‘ die Amplitude des Rauschens im Stokes-Feld“, erklären die Forscher.

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Durch diese Technik bleibt das Signal unverändert, hebt sich wegen des schwächeren Rauschens aber klarer heraus, ohne dass die Laserintensität erhöht werden muss. „Unser Aufbau erlaubt es sogar, noch ein Raman-Signal zu detektieren, wenn im Schnitt weniger als ein Photon während des Beobachtungsintervalls von der Probenstruktur gestreut wird“, so Casacio und seine Kollegen. Das mache es möglich, hohe Auflösungen und Kontraste selbst bei verhältnismäßig milden Laserstärken zu erreichen.

Neuer Blick in lebende Zellen

Wie gut diese Technik in der Praxis funktioniert, haben die Forscher überprüft, indem sie Hefezellen mit ihrer quantenverstärkten nichtlinearen Raman-Spektroskopie untersuchten. Das Ergebnis: „Die Quantenverschränkung in unserem Mikroskop liefert eine um 35 Prozent verbesserte Kontrastschärfe, ohne dass die Zelle dabei zerstört wird“, erklärt Casacios Kollege Warwick Bowen. „Das erlaubt es uns, winzige biologische Strukturen abzubilden, die anderweitig unsichtbar blieben.“

Nach Ansicht der Forscher belegt dies, dass die Verschränkung in der Mikroskopie und der Messtechnik im Allgemeinen ganz neue Möglichkeiten eröffnet. „Es ist der erste Beleg für das Paradigma-verändernde Potenzial der Verschränkung im Bereich des Messens“, sagt Bowen. „Die Vorteile sind offensichtlich – sie reichen von einem besseren Einblick in lebende Systeme bis zu verbesserten diagnostischen Technologien.“ (Nature, 2021; doi: 10.1038/s41586-021-03528-w)

Quelle: University of Queensland

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