Chế tạo thành công siêu kính hiển vi lượng tử có khả năng 'thần kỳ'

Các kính hiển vi quang học, dụng cụ thường được sử dụng để quan sát các hệ sinh vật học, sử dụng đồng thời một hoặc hai nguồn sáng khác nhau để chiếu vào mẫu, bên cạnh đó nó còn phải sử dụng thêm một nguồn sáng công suất lớn nữa để quan sát chi tiết mẫu. Nhưng phương pháp này có giới hạn căn bản là độ chính xác mà nó có thể thu được phụ thuộc và cường độ ánh sáng chiếu vào – và nếu cường độ chiếu sáng quá lớn sẽ phá huỷ tế bào sinh vật đang quan sát.

Nhà khoa học Warwick Bowen (Đại học Queensland) cũng nói thêm rằng, những hiểu biết của con người về sự sống hiện nay chủ yếu dựa trên vào chất lượng của các kính hiển vi. Sự hiểu biết của con người bị giới hạn bởi công nghệ và rất khó để phá vỡ các giới hạn hiện nay vì chúng ta đã sử dụng ánh sáng với cường độ lớn nhất có thể mà không phá huỷ các tế bào sống.

Trong bối cảnh đó, Bowen và các cộng sự đã tìm ra một phương pháp để vượt qua giới hạn công nghệ này. Họ sử dụng một kính hiển vi với hai nguồn sáng là laser, tuy nhiên chùm laser được cho đi qua một tinh thể với thiết kế đặc biệt có tác dụng “nén” (squeezes) ánh sáng. Ánh sáng bị “nén” do hiệu ứng tương quan lượng tử giữa các photon ánh sáng – các “hạt” lượng tử của ánh sáng laser.

Các photon được ghép cặp với nhau thành các cặp tượng quan, và bất kì photon nào có năng lượng không tương đồng với các photon còn lại sẽ bị loại bỏ mà không được ghép cặp. Quá trình ghép cặp này làm giảm cường độ sáng của chùm tia laser nhưng đồng thời làm giảm độ nhiễu – một yếu tố quan trọng để nâng cao độ chính xác của bức ảnh thu được. Khi các nhà khoa học thử nghiệm kính hiển vi mới này, họ thấy rằng họ có thể thu được bức ảnh với độ sắc nét cao hơn 35% so với kính hiển vi tương tự nhưng không sử dụng hệ thống “nén” ánh sáng.

“Để thu được bức ảnh có chất lượng như vậy mà không sử dụng hiệu ứng tương quan lượng tử, bạn phải tăng cường độ chiếu sáng lên. Nhưng vấn đề là khi bạn tăng cường độ sáng lên đủ để thu được kết quả như vậy, bạn sẽ phá huỷ mẫu (ánh sáng đốt cháy tế bào sống – ghi chú của người dịch), vì vậy chúng ta có thể quan sát các tế bào sống mà trước đây chúng ta không thể quan sát được", Bowen cho hay.

Khi quan sát thành tế bào của tế bào vi khuẩn lên men (Saccharomyces cerevisiae) – có bề dày cỡ vài chục nanomet (1 nm = 0.000000001 m) hay các dòng chất lỏng bên trong tế bào, với kính hiển vi quang học truyền thống (không sử dụng hiệu ứng lượng tử) tốt nhất hiện nay kết quả thu được là các hình ảnh mờ không rõ, và gần như không quan sát được bằng các kính hiển vi quang học thông thường. Với kính hiển vi sử dụng hiệu ứng lượng tử, các hình ảnh trở nên rõ nét hơn. Việc quan sát các thành phần rất nhỏ trong mô sinh học có thể cho phép chúng ta hiểu hơn về những quá trình cơ bản của sự sống ở kích thước nhỏ nhất.

Theo Frank Vollmer ở Đại học Exeter, Anh thì “đây là một phát minh quan trọng trong lĩnh vực kính hiển vi quang học. Phát minh này mở ra cánh cửa cho phép nâng cao chất lượng hình ảnh mà kính hiển vi có thể quan sát được với cường độ sáng đủ nhỏ để không phá huỷ các mẫu vi sinh vật”.

Bowen cho biết, kính hiển vi lượng tử không chỉ giúp cho các nghiên cứu cơ bản về quá trình của sự sống ở mức độ dưới tế bào mà nó còn có nhiều tiềm năng ứng dụng thực tế. Ví dụ, kính hiển vi quang học thường được sử dụng để xác định xem tế bào có phải là tế bào ung thư không hay để chẩn đoán các bệnh khác. Với việc sử dụng bộ “nén” ánh sáng, độ nhạy cũng như tốc độ thực hiện các phép đo hay chẩn đoán này sẽ được cải thiện rõ rệt.

Như vậy, những tiến bộ trong lĩnh vực quang tử (Vật lý kỹ thuật) đã góp phần vào sự phát triển của lĩnh vực y khoa cũng như sinh vật học. Đó là cách ngành Vật lý kỹ thuật đóng góp vào sự phát triển của các lĩnh vực đòi hỏi công nghệ cao, đòi hỏi các bứt phá về công nghệ và luôn không ngừng phá vỡ giới hạn công nghệ.