Cientistas do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) conseguiram quadruplicar a resolução de um microscópio óptico usando um truque de física quântica. A técnica, descrita em um artigo publicado na revista Science Advances, usa pares de fótons emaranhados — um fenômeno que Albert Einstein chamou de “ação fantasmagórica à distância” — para enxergar detalhes menores do que o limite tradicional imposto pela difração da luz.
O trabalho, liderado pelo professor Lihong Wang, da Caltech, é a evolução de uma técnica apresentada pelo mesmo laboratório em 2023, que dobrou a resolução dos microscópios. Agora, com um novo design óptico que envia um dos fótons emaranhados três vezes pelas lentes do equipamento, o ganho de nitidez subiu para quatro vezes em relação a um microscópio clássico.
Como funciona o emaranhamento quântico na microscopia
Na técnica, chamada de microscopia quântica por coincidência (QMC), pares de fótons emaranhados — chamados de biphotons — são divididos em dois caminhos. Um deles, chamado de fóton de sinal, passa pela amostra que será examinada. O outro, chamado de fóton idler, viaja por um caminho paralelo separado.
Em alguns aspectos, o par se comporta como uma única partícula com o dobro do momento de um fóton individual. Como, na física quântica, o comprimento de onda é inversamente relacionado ao momento, cada fóton do par enxerga com um comprimento de onda pela metade do original. Como a resolução do microscópio melhora conforme o comprimento de onda diminui, isso gera um ganho de nitidez de duas vezes.
A inovação: fóton passa três vezes pelas lentes
No novo experimento, o fóton de sinal continua passando pela amostra apenas uma vez. Porém, o fóton idler é roteado de volta pelo mesmo par de lentes três vezes antes de chegar ao detector. Para isso, a equipe aplicou um campo magnético e usou ferramentas ópticas, incluindo divisores de feixe especiais, que controlam a polarização da luz.
Ao medir a nitidez das bordas e dos detalhes finos de um alvo de teste padrão, os pesquisadores descobriram que a configuração de duas vezes melhorava a resolução em cerca de 1,8 vezes em relação à imagem clássica. Já a nova configuração, com três passagens do fóton idler, alcançou um ganho de aproximadamente quatro vezes.
“Agora entramos em um novo regime físico”, disse Wang, que também é diretor executivo de engenharia médica na Caltech. “Em geral, as pessoas acham que, com um único par de fótons, é possível, no máximo, aumentar a resolução em relação ao limite clássico de difração em duas vezes. Mas fomos além disso. Este é o aspecto mais emocionante do nosso novo artigo, porque nos aponta uma direção em que podemos melhorar ainda mais — 10 vezes ou talvez até 100 vezes no futuro.”
Por que isso importa para a ciência
A técnica abre caminho para a imagem de amostras biológicas de alta resolução sem danificá-las. Como os biphotons carregam a energia mais baixa de fótons de comprimento de onda longo, é possível obter a resolução de luz ultravioleta usando luz visível, que não é agressiva às células.
Na demonstração anterior, de 2023, a equipe já havia conseguido imagens de células com a técnica. Agora, com a resolução quadruplicada, o método se aproxima de aplicações práticas em áreas como biomedicina, análise de semicondutores e estudo de estruturas celulares minúsculas.
O artigo, intitulado “Above twofold quantum super-resolution microscopy enabled by multiple idler passes with entangled biphotons”, tem como autores principais o ex-aluno do laboratório Xin Tong (PhD ’26) e os ex-pós-docs Zhe He, hoje no Instituto de Tecnologia Avançada de Shandong, na China, e Yide Zhang, na Universidade do Colorado em Boulder. O trabalho foi financiado pelo Centro de Sensoriamento para Inteligência da Caltech, pela iniciativa Chan Zuckerberg, pela Silicon Valley Community Foundation e pelos Institutos Nacionais de Saúde dos Estados Unidos.
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Mais detalhes estão no comunicado oficial da Caltech.