Das Mikroskop nutzt die Quantenverschränkung, um zu vermeiden, dass das, was es zu beobachten versucht, zerstört wird.
Künstlerische Darstellung des Quantenmikroskops bei der Arbeit.Illustration: The University of QueenslandEin Forscherteam in Deutschland und Australien hat kürzlich eine neue Mikroskopietechnik verwendet, um biologische Strukturen im Nanomaßstab mit einer bisher nicht zu beherrschenden Auflösung abzubilden, ohne die lebende Zelle zu zerstören. Die Technik, bei der Laserlicht verwendet wird, das viele Millionen Mal heller ist als die Sonne, hat Auswirkungen auf biomedizinische und Navigationstechnologien.
Das quantenoptische Mikroskop ist ein Beispiel dafür, wie sich das seltsame Prinzip der Quantenverschränkung in realen Anwendungen zeigen kann. Zwei Partikel verschränken sich, wenn ihre Eigenschaften voneinander abhängig sind – indem Sie eines von ihnen messen, können Sie auch die Eigenschaften des anderen erkennen.
Der Sensor im Mikroskop des Teams, in einem heute in Science veröffentlichten Artikel beschrieben, hängt von Quantenlicht ab – verschränkten Photonenpaaren –, um besser aufgelöste Strukturen zu sehen, ohne sie zu beschädigen.
„Die Schlüsselfrage, die wir beantworten, ist, ob QuantenlichtLeistung in Mikroskopen ermöglichen, die über die Grenzen dessen hinausgeht, was mit herkömmlichen Techniken möglich ist“, sagte Warwick Bowen, Quantenphysiker an der University of Queensland in Australien und Co-Autor der neuen Studie, in einer E-Mail. Bowens Team fand heraus, dass dies tatsächlich möglich ist. „Wir demonstrieren [das] zum ersten Mal und zeigen, dass Quantenkorrelationen eine Leistung (verbesserter Kontrast/Klarheit) aufgrund von Lichtschäden in normalen Mikroskopen über die Grenze hinaus ermöglichen können.“ Mit Lichtschaden bezieht sich Bowen auf die Art und Weise, wie ein Laserbeschuss von Photonen das Ziel eines Mikroskops zerstören oder zerstören kann, ähnlich wie Ameisen unter einer Lupe knusprig werden.
Mikroskope haben es dem Menschen seit dem 16. Jahrhundert ermöglicht, die Biologie auf einer tieferen Ebene zu verstehen, und die modernen Mikroskope von heute sind so viel mehr als nur ein paar ausgerichtete Linsen. Innovationen wie zum Beispiel Rastertunnelmikroskope können einzelne Atome sehen. In der neuen Arbeit richteten die Forscher starkes Laserlicht auf eine Hefezelle, um die Feinheiten ihrer Unterstrukturen zu enthüllen. Dank der verschränkten Photonen konnten sie die gewünschte höhere Auflösung erzielen, da „die Erkennung eines Photons Ihnen Informationen darüber gibt, wann das nächste Photon eintreffen wird“, erklärte Bowen.
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„Dieses Experiment ist ein schönes Beispiel dafür, wie Quantentechniken jetzt für ein besseres Verständnis biologischer Prozesse genutzt werden“, sagte Clarice Aiello, eine auf Biophysik im Nanobereich spezialisierte Quanteningenieurin an der UCLA, die nicht an der jüngsten Veröffentlichung beteiligt ist. „Technische Hürden … müssen überwunden werden, bevor die Technologie kommerziell wird, aber dieses Experiment ist ein Beweis für das Prinzip, dass Quantentechniken, die vor Jahrzehnten entwickelt wurden, mit großem Vorteil in den Biowissenschaften eingesetzt werden können und werden.“
Während andere Mikroskope, die mit so intensivem Licht arbeiten, knisternde Löcher in dem, was sie zu untersuchen versuchen, enden, war dies bei der Methode des Teams nicht der Fall. Die Forscher haben mithilfe der Raman-Streuung chemisch Fingerabdrücke einer Hefezelle erstellt, die beobachtet, wie einige Photonen von einem bestimmten Molekül gestreut werden, um die Schwingungssignatur dieses Moleküls zu verstehen. Raman-Mikroskope werden oft für diese Art von Fingerabdruck verwendet, aber die ganze Zerstörung des Dings, das wir zu beobachten versuchen, hat Forscher lange Zeit verärgert, die versuchen, in höheren Auflösungen zu sehen. In diesem Fall konnte das Team die Lipidkonzentrationen der Zelle sehen, indem es korrelierte Photonenpaare verwendet, um eine großartige Sicht auf die Zelle zu erhalten, ohne die Intensität des Laserstrahls des Mikroskops zu erhöhen.
Charles Camp, ein auf Raman-Bildgebung spezialisierter Elektroingenieur am National Institute of Standards and Technology, sagte in einer E-Mail, dass Raman-Methoden „lange versprochen haben, die biologische Bildgebung zu revolutionieren“, jedoch verschiedene Einschränkungen aufwiesen. Aber in der neuen Studie präsentieren die Forscher „ein Proof-of-Principle-System und einen relativ praktischen Weg zur Verbesserung der [stimulierten Raman-Streuung]-Mikroskopie“, sagte Camp.
„Wir konnten die Zellwand, eine wenige Nanometer dicke Struktur, die (natürlich) die Zelle umgibt, klar auflösen“, sagte Bowen. „Bei anderen Raman-Mikroskopen ist es sehr schwierig, die Zellwand aufzulösen, und wir haben in unserem Fall gezeigt, dass unser Mikroskop dies ohne Quantenkorrelationen nur sehr schwach sehen kann.“
Je nachdem, wer du bist, ist es entweder erschreckend oder seltsam beruhigend, daran zu denken, dass wir alle nur eine Summe von Zellen sind, die auf Mikroskalen zusammengeschmiedet sind, um Gliedmaßen und innere Organe und all die komplexen Systeme zu bilden, die lassen uns ticken. Aber zoomen Sie noch weiter hinein, und es gibt noch kleinere biologische Strukturen, die noch vollständig verstanden werden müssen. Beeindruckende neue Bildgebungstechniken ermöglichen es uns, dieses völlig unbekannte Reich etwas genauer zu betrachten.
Dieser Artikel wurde mit Kommentaren von Clarice Aiello und . aktualisiert Charles Camp.
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Isaac SchultzPostsTwitter
Wissenschaftler bei Gizmodo, zuvor Atlas Obscura. Meistens um antike Dinge (auf der Erde und darüber hinaus) und Massen, die extrem groß oder unglaublich klein sind.