【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院羅海陸/文雙春教授團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了量子非局域弱測(cè)量顯微鏡，為觀測(cè)透明、光敏生物細(xì)胞和生物組織開(kāi)拓了新思路。
 

　　光學(xué)顯微鏡是我們探索微觀世界的重要工具，已經(jīng)成為現(xiàn)代物理學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域充滿活力的研究方向。在微觀世界中，細(xì)胞是生命體的結(jié)構(gòu)單元，也是生命活動(dòng)的基本單位。生物細(xì)胞的大小、形態(tài)以及結(jié)構(gòu)特征與細(xì)胞的功能和活動(dòng)相適應(yīng)，對(duì)其特征識(shí)別技術(shù)的研究是生命科學(xué)的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代生命科學(xué)的發(fā)展支柱。大多數(shù)生物細(xì)胞是微小透明的，通常情況下可看作是純相位物體。這類樣本被稱為相位物體，因?yàn)樗鼈儍H影響輸入光場(chǎng)的相位而不是振幅。純相位物體的散射光非常弱，使得從壓倒性的輸入光背景中揭示其結(jié)構(gòu)變得極具挑戰(zhàn)性。
 

　　由于透明生物樣本的散射光非常弱，導(dǎo)致觀測(cè)它們需引入復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)。盡管如此，成像對(duì)比度仍然很低。傳統(tǒng)使用的顯微鏡的靈敏度和分辨率從根本上受到環(huán)境噪聲的限制，可以通過(guò)增加照明光的強(qiáng)度有效降低環(huán)境噪聲的影響。因此，傳統(tǒng)的顯微成像技術(shù)面臨另一個(gè)關(guān)鍵困難：對(duì)于光敏生物樣本，大的光照強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致樣品的生物物理?yè)p傷。
 

(a)基于單光子的標(biāo)準(zhǔn)弱測(cè)量。(b) 基于偏振糾纏光子對(duì)的非局域弱測(cè)量。
 

　　針對(duì)上述挑戰(zhàn)和關(guān)鍵困難，湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院羅海陸/文雙春教授團(tuán)隊(duì)提出了量子非局域弱測(cè)量顯微鏡。量子弱測(cè)量方法通過(guò)非常弱的相互作用進(jìn)行測(cè)量而不影響被測(cè)物理系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)控量子態(tài)的前后選擇可以顯著放大被測(cè)的微小物理量，因此已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于微小物理參數(shù)和物理效應(yīng)的精密測(cè)量。超表面為二維納米結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)尺寸和周期，可以精確操控測(cè)量探針和被觀測(cè)量的耦合強(qiáng)度。基于超表面的量子弱測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，便于集成到傳統(tǒng)顯微成像系統(tǒng)中，可以精確測(cè)量透明生物樣本的相位梯度信息，從而重構(gòu)其定量相位圖像。
 

　　在標(biāo)準(zhǔn)量子弱測(cè)量中，測(cè)量過(guò)程通常是由同一個(gè)光子實(shí)現(xiàn)，在低光子水平成像難以獲得高的信噪比。非局域弱測(cè)量打破標(biāo)準(zhǔn)弱測(cè)量的限制，將測(cè)量過(guò)程推廣到兩個(gè)偏振相互糾纏的光子。基于非局域弱測(cè)量方法可以對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)極微弱信號(hào)的探測(cè)，有效地濾除了時(shí)域上不重疊的環(huán)境噪聲。非局域弱測(cè)量成像是一種超低噪聲的成像技術(shù)，增強(qiáng)的靈敏度使其能夠探測(cè)到單個(gè)光子。非局域弱測(cè)量成像方法大幅提升了少數(shù)光子條件下的成像信噪比和對(duì)比度，避免對(duì)光敏細(xì)胞的生物物理?yè)p傷。此外，基于非局域弱測(cè)量方法，可以實(shí)現(xiàn)明場(chǎng)、微分、定量相位三種成像模式，通過(guò)不同成像模式可以精確重構(gòu)生物細(xì)胞和生物組織的強(qiáng)度和振幅信息。
 

量子非局域弱測(cè)量顯微鏡實(shí)驗(yàn)裝置
 

　　該研究成果以“Metasurface-Assisted Quantum Nonlocal Weak-Measurement Microscopy”為題發(fā)表在《Physical Review Letters》上，湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院為第一單位，博士后劉佳威為第一作者，羅海陸教授為通訊作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、湖南省自然科學(xué)基金、博新計(jì)劃項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)支持。