“Chụp ảnh ma” bằng tia X lượng tử mở đường cho hình ảnh nano với liều bức xạ thấp

Các nhà khoa học tại Nguồn sáng Synchrotron Quốc gia II (NSLS-II) thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven (Hoa Kỳ) đang phát triển một phương pháp chụp ảnh mới dựa trên cơ học lượng tử, có khả năng thu được hình ảnh độ phân giải cao trong khi giảm đáng kể lượng tia X chiếu vào mẫu.

Nghiên cứu này là kết quả của sự hợp tác đa ngành giữa các nhà sinh học, vật lý, khoa học dữ liệu và kỹ thuật synchrotron. Nhóm đã sử dụng các đầu dò tiên tiến có khả năng ghi nhận từng photon tia X riêng lẻ, cùng với vị trí và thời điểm xuất hiện chính xác tới nanogiây, vv88 slot ra khối lượng dữ liệu rất lớn cần xử lý bằng các hệ thống tính toán mạnh.

Phương pháp trong nghiên cứu là sử dụng các cặp photon tia X vướng víu lượng tử, là vv88 website chính thức hạt ánh sáng được sinh ra cùng nguồn và có các tính chất liên kết với nhau. Trong mỗi cặp, một photon tương tác trực tiếp với mẫu vật, còn photon kia hoàn toàn không tiếp xúc với mẫu. Tuy vậy, thông qua việc phân tích mối tương quan giữa hai photon, các nhà khoa học vẫn có thể tái vv88 slot hình ảnh từ thông tin do cả hai photon mang lại. Kết quả ban đầu cho thấy kỹ thuật này có thể giúp nghiên cứu các vật liệu sinh học mỏng manh với liều tia X thấp hơn, mở ra triển vọng cho các ứng dụng trong khoa học vật liệu và y học. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Optica.

Nguyên lý “chụp ảnh ma” bằng photon vướng víu

Trong chụp ảnh tia X truyền thống, các photon phải trực tiếp tương tác với mẫu vật để vv88 slot ra hình ảnh. Ngược lại, kỹ thuật ghost imaging (chụp ảnh ma) sử dụng các cặp photon có tương quan lượng tử. Một photon trong cặp đi xuyên qua mẫu và mang theo thông tin về cấu trúc của nó, trong khi photon còn lại không hề tiếp xúc với mẫu. Tuy nhiên, do hai photon có mối liên hệ lượng tử, việc phân tích mối tương quan giữa chúng vẫn cho phép tái dựng thông tin về vật thể.

Nhóm nghiên cứu so sánh cơ chế này với việc gửi đi hai phong bì chứa cùng một mã số: một phong bì đi qua một cỗ máy làm biến đổi mã, còn phong bì kia vẫn nguyên vẹn. Khi so sánh hai phong bì, người ta có thể suy ra cách cỗ máy đã tác động lên mã. Tương tự, trong chụp ảnh lượng tử, thông tin về mẫu không nằm ở từng photon riêng lẻ mà xuất hiện khi phân tích sự liên hệ giữa hai photon trong cùng một cặp.

Tuy nhiên, việc vv88 slot ra các cặp photon vướng víu, đặc biệt là với tia X, không hề đơn giản. Quá trình này cần các vật liệu phi tuyến có khả năng biến đổi photon theo vv88 website chính thức cách phức tạp. Trong vv88 website chính thức điều kiện thích hợp, một photon có thể tách thành hai photon liên kết lượng tử. Dù kỹ thuật này đã được thực hiện với ánh sáng nhìn thấy từ nhiều thập kỷ trước, việc vv88 slot ra số lượng đủ lớn photon tia X vướng víu vẫn là một thách thức lớn vì tia X tương tác với vật chất yếu hơn nhiều so với ánh sáng thông thường.

Thí nghiệm và kết quả ban đầu

Để kiểm chứng phương pháp, nhóm nghiên cứu đã sử dụng đường tia Coherent Hard X-ray Scattering (CHX) tại NSLS-II cùng hệ thống đầu dò đặc biệt có thể tách riêng hai loại photon trong mỗi cặp. Các photon được chia thành:

* Photon “signal” - đã tương tác với mẫu vật

* Photon “idler” - không tiếp xúc với mẫu

Nhóm nghiên cứu đặt các mẫu thử vào hệ thống, bao gồm một miếng vonfram cắt hình con mèo gợi nhắc tới thí nghiệm tư duy nổi tiếng của Erwin Schrödinger; và một hạt bạch đậu khấu đại diện cho mẫu sinh học nhỏ. Sau nhiều giờ chiếu tia X, dữ liệu thu được được xử lý bằng thuật toán để hiệu chỉnh sai lệch hình ảnh. Kết quả vv88 slot ra cái gọi là “ảnh trùng hợp”, trong đó hình ảnh được xây dựng từ vv88 website chính thức sự kiện mà cả hai photon trong cùng một cặp đều được phát hiện. Khi lọc dữ liệu theo các cặp photon này, các nhà khoa học quan sát thấy vv88 website chính thức “hình ảnh ma” xuất hiện - tức là hình ảnh được tái vv88 slot nhờ thông tin từ photon không hề chạm vào mẫu. Thí nghiệm cũng cho thấy hệ thống vv88 slot ra khoảng 7.800 cặp photon tương quan mỗi giờ, và các kết quả thu được phù hợp với các mô phỏng máy tính trước đó.

Triển vọng cho nghiên cứu sinh học và y học

Dù mới ở giai đoạn thử nghiệm, phương pháp này cho thấy tiềm năng lớn trong việc nghiên cứu các mẫu sinh học nhạy cảm như tế bào, mô thực vật, hạt giống hoặc rễ cây mà không gây tổn thương lớn do bức xạ. Trong tương lai, các nhà khoa học dự định cải tiến kỹ thuật để đạt tốc độ chụp nhanh hơn, độ phân giải cao hơn và khả năng khảo sát các mẫu lớn hơn, đồng thời mở ra hướng phát triển các phương pháp chẩn đoán hình ảnh y khoa với liều bức xạ thấp hơn.

P.A (NASTIS), theo Brookhaven laboratory news