Tecnología cuántica que permite doblar la resolución de los microscopios

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Científicos han utilizado el entrelazamiento de las partículas, una de las propiedades más asombrosas de la física cuántica, para crear microscopios que doblan la potencia de los actuales.

Investigadores del California Institute of Technology (Caltech) aseguran haber logrado un nuevo método para obtener imágenes micróscópicas con mayor resolución que los sistemas ópticos actuales. Este descubrimiento, dicen los científicos, es un gran salto adelante en el campo de la microscopía que nos permitirá aumentar dramáticamente la resolución de los objetos que queremos estudiar.

Los investigadores han basado su descubrimiento en una de las propiedades más sorprendentes de la física cuántica, el entrelazamiento, que Albert Einstein bautizó como «espeluznante acción a distancia» porque se escapaba a lo propuesto por su teoría de la relatividad. Según la mecánica cuántica, el entrelazamiento provoca que dos partículas se puedan vincular haciendo que el estado de una esté ligado al de la otra.

Cómo funciona

El nuevo sistema desarrollado en Caltech se llama microscopía cuántica por coincidencia (QMC). El equipo ha utilizado el entrelazado de dos fotones (que entonces pasan a llamarse biofón), haciendo que se comporten prácticamente como una sola partícula que tiene el doble de momento (el producto de la masa de ese cuerpo por su velocidad) que un solo fotón.

Según la mecánica cuántica todas las partículas son también ondas y la longitud de onda de una onda está inversamente relacionada con el momento de la partícula. Esto, según los investigadores de Caltech, supone que las partículas con momentos más grandes tienen longitudes de onda más pequeñas y, como un bifotón tiene el doble de momento que un fotón, su longitud de onda es la mitad que la de los fotones individuales.

Los microscopios convencionales, dicen, sólo pueden obtener imágenes de un objeto cuyo tamaño mínimo sea la mitad de la longitud de onda de la luz utilizada por el microscopio. Una reducción de esa longitud de onda permitiría que el microscopio fuera capaz de ver cosas aún más pequeñas, aumentando así su resolución.

Observar los objetos sin freírlos

Reducir la longitud de onda de la luz que utiliza el microscopio también se puede conseguir jugando con el color de la luz. La luz verde, asegura el equipo, tiene una longitud de onda más corta que la roja y la luz violeta tiene una longitud de onda más corta que la verde. Sin embargo, la luz con longitudes de onda más cortas también transportan más energía, lo que supone un problema para observar seres vivos como células porque pueden dañarse. Esta también es la razón por la cual nos quemamos la piel cuando nos exponemos durante mucho tiempo a la luz ultravioleta (UV) del sol, que tiene una longitud de onda muy corta.

Los investigadores afirman que el QMC no tiene este problema porque los bifotones transportan la energía más baja de los fotones de mayor longitud de onda, mientras que tienen la longitud de onda más corta de los fotones de mayor energía.

«A las células no les gusta la luz ultravioleta», afirma Lihong Wang, catedrático de Ingeniería Médica e Ingeniería Eléctrica en Caltech y autor principal de un estudio publicado en Nature Communications en el que se detalla este descubrimiento. «Pero si podemos utilizar luz de 400 nanómetros para obtener imágenes de la célula y conseguir el efecto de la luz de 200 nm, que es UV, las células estarán contentas y obtendremos la resolución de la UV».

Cómo se obtienen las imágenes

El equipo de Wang construyó un aparato óptico que proyecta luz láser en un tipo especial de cristal que convierte algunos de los fotones que lo atraviesan en bifotones. Este proceso, dicen los investigadores, solo consigue que la conversión sea de aproximadamente uno de cada millón de fotones, aunque el equipo está trabajando para aumentar estos ratios. Gracias a una serie de espejos, lentes y prismas, cada bifotón se divide y toma caminos diferentes, haciendo que uno de los fotones emparejados atraviese el objeto que se quiere observar y el otro no.

El fotón que atraviesa el objeto se llama fotón señal y el que no lo hace, fotón ocioso. Estos fotones, dice el equipo, siguen su camino a través de más componentes ópticos hasta que llegan a un detector conectado a un ordenador que construye una imagen de la célula basándose en la información que transporta el fotón de señal. Sorprendentemente, dicen, los fotones emparejados permanecen entrelazados como un bifotón que se comporta a la mitad de la longitud de onda a pesar de la presencia del objeto y de sus caminos separados. 

Aunque ha habido otros laboratorios que han conseguido imágenes bifotónicas, Wang sostiene que su equipo ha sido el primero en crear un sistema viable. «Desarrollamos lo que consideramos una teoría rigurosa, así como un método de medición del entrelazamiento más rápido y preciso. Alcanzamos una resolución microscópica y conseguimos imágenes de células».

elconfidencial.com


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