Bildgebung mit verschränkten Photonen

Optische Analyse­verfahren wie Mikro­skopie und Spektro­skopie sind in sicht­baren Wellen­längen­bereichen schon äußerst effizient. Doch im Infrarot- oder Tera­hertz­bereich stoßen sie an ihre Grenzen. Dabei liegen gerade dort wertvolle Informa­tionen verborgen. Zum Beispiel lassen sich Biosub­stanzen wie Proteine, Lipide oder auch andere chemische Elemente anhand ihrer charak­teris­tischen Molekül­schwingungen unter­scheiden. Diese Schwingungen werden mit Licht im mittleren Infrarot- bis Terahertz-Bereich angeregt und sind mit herkömm­lichen Mess­methoden nur schwer detek­tierbar.

„Könnte man diese Bewegungen erfassen oder anregen, ließe sich bei Zellproben genau sehen, wie bestimmte Eiweiße, Fette oder andere Stoffe verteilt sind. Zum Beispiel weisen einige Krebs­arten eine charak­teris­tische Anreiche­rung bestimmter Proteine auf. So könnte die Krankheit effizienter erkannt und bekämpft werden. Auch in der Medika­menten­forschung könnte ein genaueres Wissen über die Vertei­lung von Biosub­stanzen große Fort­schritte bringen“, erläutert Quanten­forscher Markus Gräfe vom Fraun­hofer-Institut für angewandte Optik und Fein­mechanik.

Doch wie lassen sich Informa­tionen aus diesen extremen Wellen­längen­bereichen sicht­bar machen? Dabei hilft der quanten­mechanische Effekt der Verschränkung von Photonen. Dadurch kann Licht von verschie­denen Wellen­längen mit­ein­ander kombiniert werden. Ein Laser­strahl wird in einem optischen Aufbau durch einen nicht­linearen Kristall geschickt, in dem er sich in zwei mitein­ander verschränkte Licht­strahlen aufteilt. Dabei können diese beiden Strahlen – je nach Eigen­schaften des Kristalls – ganz unter­schied­liche Wellen­längen haben. Trotzdem sind sie durch die Verschränkung mitein­ander verbunden.

„Während der eine Photonen­strahl über Spiegel zum zu detek­tierenden Objekt im Infra­rot­bereich geschickt wird und dort mit der Probe interagiert, wird der Zwillingsstrahl im sichtbaren Spektrum von einer Kamera einge­fangen. Da die verschränkten Licht­teilchen die gleiche Informa­tion in sich tragen, entsteht ein Bild, obwohl das Licht, das die Kamera erreicht, das eigent­liche Objekt nie erreicht hat“, erklärt Gräfe.

Das gleiche Prinzip lässt sich auch im ultra­violetten Spektral­bereich nutzen. Denn UV-Licht schädigt die Zellen, und so sind lebende Zell­proben äußerst licht­empfind­lich. Das schränkt die Unter­suchungs­zeit, etwa von Zell­prozessen, die Stunden oder länger dauern, erheb­lich ein. Da bei der Quanten­bild­gebung weniger Strahlung in die Gewebe­zellen dringt, können diese länger mit hoher Auflösung zerstörungs­frei beobachtet und analysiert werden.

„Mit unserem Quanten­imaging-Aufbau sind wir in der Lage zu zeigen, dass das ganze komplexe Verfahren stabil, kompakt und portabel realisiert werden kann“, so Gräfe. Aktuell arbeitet das Forscher­team daran, das System noch kompakter auf die Größe eines Schuh­kartons zu schrumpfen und auch die Auflösung weiter zu verbessern. Der nächste Schritt soll beispiels­weise ein Quantum-Scanning-Mikroskop sein. Statt das Bild mit einer Weit­feld­kamera aufzu­nehmen, wird es ähnlich einem Laser-Scanning-Mikroskop abgerastert. Davon versprechen sich die Wissen­schaftler noch einmal höhere Auflösungen von unter einem Mikro­meter. Künftig lassen sich damit die Strukturen innerhalb einzelner Zellen noch genauer untersuchen. Lang­fristiges Ziel ist es, das Quanten­imaging als Basis­techno­logie in bestehende Mikro­skopie-Systeme zu integrieren. Damit sollen die Hürden für Anwender aus der Industrie niedriger werden. Der jetzt entwickelte Demonstrator ist ein Ergebnis aus dem Fraun­hofer-Leitp­rojekt QUILT, das die quanten­optische Kompetenz mehrerer Fraun­hofer-Institute bündelt.

FG / RK

Weitere Infos

• Quantum Methods for Advanced Imaging Solutions – QUILT, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., München
• Fraunhofer-Institut für angewandte Optik und Feinmechanik, Jena