MITで開発されたアプローチは、生体組織やその他の複雑な材料における光散乱の長年の問題を克服します。
生物組織の深層の画像を取得する問題は、長い間複雑なままでした。 光は通常、生体組織などの複雑な材料で散乱され、多くの異なる角度で戻るまで内部で反射されます。 これにより、光学顕微鏡の焦点が乱れ、解像度と画像深度が低下します。 波長を長くした光を使用すると、散乱を減らすことができますが、解像度も低下します。
現在、分散を回避しようとする代わりに、MITの研究者は、この現象を独自の目的に使用する技術を開発しました。 サイエンス誌に掲載された論文に記載されている技術により、光散乱を使用して、既存のシステムと比較して画像解像度を10倍向上させることができます。
従来の顕微鏡の機能は回折限界により制限され、特定の解像度よりも正確に焦点を合わせることができません。 新しい技術により、この制限を克服する「光学的超解像」で写真を取得できます。
たとえば、より正確にがん組織細胞に集中するなど、生物医学画像を改善するために使用できます。 特定の脳細胞を興奮させるために、 光遺伝学技術と組み合わせることもできます。 大学院生であり、この研究の主著者であるMITの機械エンジニアであるキム・ドゥング氏によると、量子コンピューティングでも使用できます。
研究者は2007年にこの方法を最初に提案しました-特別な方法で組織に送信する前に光波を形成することにより、散乱プロセスの逆転を達成し、一点に光を集中させることができます。 しかし、長い間、生物組織などの複雑な材料での光の散乱に関する情報を収集することが困難だったため、この方法を利用することはできませんでした。
この情報を取得するために、研究者はさまざまな技術を開発し、組織の特定のポイントから発せられる「誘導星」またはフィードバック信号を作成して、光を正しく集中できるようにしました。 しかし、これまでのところ、これらのアプローチは回折限界を下回る解像度を与えてきました、とキムは言います。
解像度を改善するために、キムと共著者のDirk Inglundは、MITの電気工学およびコンピューターサイエンス学科の准教授であり、電子研究所では、「量子参照ビーコン（QRB）」と呼ばれるものを開発しました。
OKMは、ダイヤモンド（NVセンター）の窒素置換空孔を使用して作成されます。 ダイヤモンド結晶格子内のこれらの小さな分子欠陥は、自然蛍光を示します。つまり、レーザービームによって励起されると光を発します。
さらに、磁場によって磁場にさらされると、それぞれが特定の周波数で共振します。 特定のOKMで観察されたのと同じ共振周波数のマイクロ波信号を組織サンプルに送信することにより、研究者はその蛍光を選択的に変更できます。
「パイロットが夜に目的地まで船を航海しようとしていることを想像してください」とキムは言います。 「3つのビーコンが信号を発しているのを見ると、混乱する可能性があります。」 しかし、灯台の1つが意図的に点滅すると、それ自体が方向を合わせます」と彼は言います。
この意味で、NVセンターはビーコンとして動作し、蛍光を発します。 特定のビーコンの蛍光を変調することにより、研究者はオン/オフ信号を作成し、組織内のこのビーコンの位置を特定できます。 「私たちは、光が発する場所をとることができ、これに基づいて、光が複雑な材料でどのように散乱するかを理解できます」と、キムは言います。
その後、研究者はすべてのOKMから取得した情報を組み合わせて、組織内の散乱パターンの正確なプロファイルを作成します。 この画像を空間光変調器 （光の操作によりホログラムを作成するために使用されるデバイス）で使用すると、レーザービームを事前に整形して、組織内の散乱を補正できます。 その後、レーザーは組織内のポイントに超解像で焦点を合わせることができます。
生物学の問題に適用されるように、研究者は、懸濁されたナノダイヤモンドを組織に導入できることを示唆しており、組織画像を取得するいくつかの方法で使用される造影剤の役割を果たします。 または、ダイヤモンドナノ粒子に付着した分子ラベルは、特定のタイプの細胞にそれらを送達できます。
OKMは、量子センサーおよび量子情報処理のキュービットとしても使用できます、とKimは言います。 「OKMは、量子情報を格納する量子ビットとして使用できるため、量子コンピューティングを実行できます」と彼女は言います。
複雑な散乱媒質で超解像画像を取得することは、以前は困難でしたが、サブガイドの精度で位置を示す「ガイド星」がないため、この研究に関係のない高麗大学の物理教授チェ・フォンシク・チェは言います。
「研究者たちは、ナノダイヤモンドのNV中心に基づいたOKMをそのような誘導星として操作するためのエレガントな方法を開発しました」と彼は言います。 「この研究により、深い超解像組織層の画像を取得し、波長よりも小さいナノデバイスで量子情報処理を行うための新しい可能性が開かれます。」
現在、研究者たちは、量子エンタングルメントや他のタイプの半導体をOKMとして使用する可能性を探求したいとキムは述べています。