För tre år sedan visade forskare vid California Institute of Technology (Caltech) att kvantmekanik kunde användas för att fördubbla upplösningen hos ett optiskt mikroskop. Nu har samma forskargrupp tagit nästa stora steg.
Med en ny optisk konstruktion har de utvecklat en metod som ger fyra gånger högre upplösning än ett traditionellt ljusmikroskop – ett genombrott som kan göra det möjligt att studera biologiska strukturer och nanomaterial med en detaljnivå som tidigare varit svår att uppnå med optisk mikroskopi.
Utnyttjar kvantmekanikens märkliga egenskaper
Den nya tekniken bygger på kvantintrasslade fotoner – ljuspartiklar vars egenskaper är kopplade till varandra även när de befinner sig på olika platser.
I forskarnas tidigare metod användes ett par intrasslade fotoner där den ena passerade genom mikroskopets optik en gång. Det gav en effektiv våglängd som motsvarade hälften av det ursprungliga ljuset, vilket i sin tur fördubblade upplösningen jämfört med ett klassiskt mikroskop.
Samma foton skickas genom optiken tre gånger
Den stora nyheten är att forskarna nu låter den ena fotonen – den så kallade idler-fotonen – passera genom samma linssystem tre gånger innan den registreras.
Detta åstadkoms med hjälp av en avancerad optisk uppställning med bland annat:
- specialkonstruerade stråldelare,
- polarisationskontroll,
- magnetfält som styr fotonernas väg genom systemet.
Genom att återanvända samma foton flera gånger förstärks de kvantmekaniska effekterna utan att fler fotoner behöver genereras. Resultatet blir en fyrdubblad upplösning jämfört med ett konventionellt optiskt mikroskop.
Bryter den klassiska gränsen
Vanliga ljusmikroskop begränsas av den så kallade diffraktionsgränsen, som gör att mycket små detaljer inte längre går att skilja åt.
Den nya kvantmetoden kringgår denna begränsning genom att utnyttja de speciella egenskaper som uppstår när fotoner är intrasslade.
I tester kunde forskarna avbilda ett standardiserat upplösningsmönster med betydligt högre detaljrikedom än vad ett klassiskt mikroskop klarar av.
Kräver inte starkare laser
En viktig fördel med tekniken är att den inte bygger på att använda mer intensivt ljus.
Många högupplösta mikroskop kräver kraftiga laserpulser som kan skada känsliga biologiska prover.
Eftersom den nya metoden i stället utnyttjar kvantkorrelationer mellan fotoner kan upplösningen förbättras utan att öka ljusintensiteten, vilket gör tekniken särskilt intressant för avbildning av levande celler och andra ömtåliga biologiska prover.
Möjliga användningsområden
Forskarna ser flera framtida tillämpningar för tekniken, bland annat inom:
- cellbiologi,
- medicinsk forskning,
- nanoteknik,
- materialvetenskap,
- kvantteknik.
En högre upplösning kan göra det möjligt att studera mycket små strukturer utan att behöva använda elektronmikroskop, som ofta kräver omfattande provberedning och inte lämpar sig för levande material.
Fortfarande på forskningsstadiet
Den nya kvantmikroskopin är ännu inte redo att ersätta vanliga laboratoriemikroskop.
Forskarna behöver nu utveckla tekniken så att den fungerar snabbare, blir enklare att använda och kan integreras i praktiska mikroskopsystem.
Trots det beskriver forskarna genombrottet som ett viktigt steg mot nästa generation optisk mikroskopi. Genom att kombinera klassisk optik med kvantmekanik visar studien att det går att se betydligt finare detaljer än vad som tidigare ansetts möjligt – utan att öka mängden ljus som träffar provet.
Publikationsuppgifter
Xin Tong m.fl., Kvantmikroskopi med mer än dubbelt så hög superupplösning genom flera idler-passager med sammanflätade bifoton, Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aea9457