LLNL、初の顕微鏡が粒子の3Dゴースト画像を撮る

August, 15, 2025, Livermore--ゴーストイメージングは戦艦のゲームのようなものだ。科学者は物体を直接見る代わりに、もつれた光子を使用して背景を取り除き、そのシルエットを明らかにする。この方法は、光があまりない微視的な環境を研究するために使用でき、生体サンプルへの光損傷を回避するのに役立つ。

これまでのところ、量子ゴーストイメージングは2次元、つまり固定されたz位置の2つの平面に限定されてきた。ＬＬＮＬの科学者たちは、この種のものとしては初めての 3D 量子ゴースト イメージング顕微鏡を開発した。

「これは、サンプルをスキャンすることなく、より高感度で物事を実行し、より多くの情報を収集できる新しい 3D イメージング方法である」と LLNL の科学者で著者Audrey Eshunはコメントしている。

この方法は、エンタングル量子現象に基づいて機能する。レーザは結晶を照射し、エンタングルした、つまり空間と時間で絡み合った光子ペアを生成したりする。これらのペアは、それらを分離する鏡に当たり、「信号」フォトンと呼ばれる1つはサンプルに向かって左に曲がり、もう1つは「アイドラー」フォトンであり、カメラのような検出器にまっすぐ進む。

サンプルと相互作用しないアイドラーフォトンは、検出器上に均一で特徴のない画像を形成する。

一方、信号フォトンは顕微鏡の対物レンズを通って移動し、それらを収集してサンプルに焦点を合わせる。この場合、著者らは金属ナノ粒子クラスタを調べた。

サンプルは、入射フォトンに対して45度の角度で傾いている。フォトンが当たると、あらゆる方向に散乱する。

入射光に対して直角に配置された別の顕微鏡対物レンズは、散乱したフォトンを収集し、それらを2番目の検出器に向ける。このカメラは、ナノ粒子のy-z面の標準スナップショットをキャプチャする。

どちらの検出器も、各フォトンの正確な到着時間を測定する。両方のカメラで検出されたフォトンペアのタイムスタンプを照合することで、研究者はどのアイドラーフォトンがサンプルと相互作用した信号フォトンに対応するかを判断できる。特徴のないアイドラー画像から他のすべてのフォトンが除去され、サンプルのxy平面のゴースト画像が明らかになる。

「標準画像には y 座標と z 座標と各ピクセルの時間があり、ゴースト画像には x 座標と y 座標と各ピクセルの時間がある。同じタイムスタンプを持つすべてのフォトンをグループ化することで、各フォトンの x、y、z の位置を把握できる。これらの座標をプロットして3D画像を形成できる」(Eshun)。

他の技術と比較して、3D量子ゴーストイメージングはサンプルをスキャンする必要はなく、一度にすべて行うことができる。非常に低い光強度を使用するため、光に敏感な材料のイメージングに役立つ可能性がある。

「この顕微鏡はこの種のものとしては初めてである」とLLNLの科学者で作家のTed Laurenceは語った。「別の3D量子ゴースト画像があったが、その場合の解像度は約3㎝だった。これはミクロン(µm)である。マイクロスケールで3つの空間次元の情報を得ている。」

次に、研究チームはこの方法を使用して、細胞同士の動きを高速追跡することを目指している。

この研究は、米国エネルギー省(DOE)の生物学および環境研究プログラムによって資金提供された。