Ученые создали первый в мире 3D-микроскоп с квантовым «призрачным» изображением

Экспериментальная установка 3D-микроскопа с квантовым «призрачным» изображением. Лазер и кристалл (слева) генерируют запутанные фотоны, которые разделяются и направляются в две стороны. Один пучок отклоняется влево к образцу, создавая стандартное изображение под углом 90 градусов. Второй продолжает движение прямо и используется для построения «призрачного» изображения. Автор: Optica (2025). DOI: 10.1364/OPTICA.565248

Метод «призрачного» изображения работает по принципу игры «Морской бой» — вместо прямого наблюдения объекта ученые используют запутанные фотоны, чтобы убрать фон и выявить его контуры. Эта технология позволяет изучать микроскопические объекты при слабом освещении, что особенно важно для предотвращения повреждения биологических образцов светом.

До сих пор квантовое «призрачное» изображение было ограничено двумя измерениями или фиксированными плоскостями. В новом исследовании, опубликованном в журнале Optica, ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) разработали первый в мире 3D-микроскоп, использующий этот метод.

«Это новый способ 3D-визуализации, который позволяет получать больше информации с высокой чувствительностью без необходимости сканирования образца», — объяснила автор исследования Одри Эшун.

Технология основана на квантовой запутанности. Лазер освещает кристалл, генерирующий пары запутанных фотонов, связанных в пространстве и времени. Затем фотоны разделяются: «сигнальные» отклоняются к образцу, а «холостые» направляются прямо к детектору, формируя равномерное изображение без деталей.

3D-реконструкция кластеров серебряных наночастиц. Сигнальная перспектива (Z,Y), холостая (X,Y), а плоскость (X,Z) показывает ориентацию покровного стекла. Сторона каждого куба — 40 мкм. Автор: Optica (2025). DOI: 10.1364/OPTICA.565248

Образец наклонен под углом 45 градусов, и при попадании фотонов происходит их рассеивание. Второй микроскоп, расположенный под прямым углом, собирает рассеянные фотоны и передает их на детектор, создавая стандартный снимок в плоскости y-z. Сопоставляя временные метки фотонных пар, ученые могут выделить «призрачное» изображение в плоскости x-y.

«Стандартное изображение содержит координаты y, z и время для каждого пикселя, а «призрачное» — x, y и время. Группируя фотоны с одинаковыми временными метками, мы получаем полные 3D-координаты», — пояснила Эшун.

В отличие от других методов, 3D-квантовое «призрачное» изображение не требует сканирования образца и работает при крайне низкой интенсивности света, что делает его идеальным для изучения светочувствительных материалов.

«Это первый микроскоп такого рода. Ранее разрешение 3D-«призрачного» изображения составляло около 3 см, а у нас — микронный масштаб. Мы получаем трехмерную информацию на уровне микрометров», — отметил соавтор исследования Тед Лоренс.

В будущем команда планирует использовать эту технологию для отслеживания движения клеток в реальном времени.

Дополнительная информация: Audrey Eshun et al, 3D quantum ghost imaging microscope, Optica (2025). DOI: 10.1364/OPTICA.565248

Источник: Lawrence Livermore National Laboratory