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* 결합된 광자는 라만 분광기 레이저 빔의 변동 줄여 광학 노이즈 억제
* 살아있는 세포 파괴하지 않고 구조를 연구할 수 있는 새로운 가능성 열어

양자 현미경의 선명도를 높였다.
광자의 얽힘은 라만 현미경에서 광학 노이즈를 감소시킨다.

연구원들은 가장 작은 구조를 더 잘 보이게 만들기 위해 양자 물리적 현상인 얽힘을 사용했다. 결합된 광자는 라만 분광기 레이저 빔의 변동을 줄여 광학 노이즈를 억제한다. 이것은 새로운 양자 현미경의 대비 선명도를 35% 증가시켰다. 살아있는 세포를 파괴하지 않고 구조를 연구할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. 연구자들이 전문 저널 "Nature"에 보고한 내용이다.  

▲ 양자 현미경 : 얽힌 광자는 비선형 라만 분광법을 사용해 가장 작은 구조의 이미지를 더 선명하게 만든다. © University of Queensland

광학 현미경, 레이저 형광 현미경 또는 X- 레이 레이저 :
가장 작은 구조를 가시화하는 많은 기술은, 사용되는 빛의 특성에 따라 결정적으로 달라진다. 이 빛이 더 집중되고 짧은 파장일수록 해결 가능한 구조를 더 더 미세하게 볼 수 있다. 그러나 한계가 있다. 광자가 모두 동시에 완전히 정돈된 방식으로 샘플에 닿지 않기 때문에 광학 노이즈가 해상도를 제한한다. 이것은 X-ray 레이저와 같이 더 높은 빔 강도로 보상될 수 있지만 결과적으로 민감한 샘플이 파괴된다.

라만 분광기로 분자보기

퀸즈랜드 대학의 케세레 카사시오(Catxere Casacio)와 동료들은 최근 솔루션을 개발했다.
이를 위한 출발점은 비선형 라만 분광법으로, 조사 대상의 분자에 의한 광자의 후방 산란을 기반으로 하는 기술이다. 이를 위해 샘플에 레이저 광이 조사된다. 레이저 조사는 분자가 진동하도록 자극하고 진동 패턴에 따라 후방 산란 광자의 스펙트럼을 변경한다. 방사광과 후방 산란광의 주파수 차이는 분자 구조가 어디에 있는지를 나타낸다.

그러나 후방 산란된 광자의 신호가 너무 약하기 때문에 비선형 라만 분광법은 증폭을 위해 간섭 효과를 사용한다. 샘플은 후방 산란된 "스토크"광자의 주파수에 해당하는 두 번째 레이저 빔으로 조사된다. 두 파동이 겹치면 신호가 증폭된다. 일반적인 방법이 너무 많다. 그러나 여기에서도 광학 노이즈가 너무 강해서 높은 레이저 강도가 필요하다.

▲ 일관된 비선형 라만 분광법에 기반한 양자 현미경의 모습이다. © University of Queensland

얽힘으로 소음 감소

Casacio와 그의 팀은 최근 이를 방지하기 위해 양자 물리적 “트릭”을 사용했다 :
얽힘. 두 번째 레이저 빔의 광자는 더 독립적이고 변동하지 않으나 양자 물리적으로 서로 결합된다. 연구진은 “이러한 얽힘은 스톡스 필드(Stoke’s field)에서 잡음의 진폭을 억제하거나 '압착'한다”고 설명했다.

이 기술을 사용하면 신호는 변경되지 않고 더 약한 노이즈로 인해 레이저 강도를 높이지 않고도 더 선명하게 나타난다. Casacio와 그의 동료들은 “우리의 설정은 관찰 간격 동안 평균적으로 1개 미만의 광자가 샘플 구조에 의해 산란되는 경우에도 라만(Raman) 신호를 감지할 수 있도록 한다. 이를 통해 상대적으로 가벼운 레이저 강도로도 높은 해상도와 대비를 얻을 수 있다.

살아있는 세포에 대한 새로운 모습

연구진은 양자 강화 비선형 라만 분광법으로 효모 세포를 조사해 이 기술이 실제로 얼마나 잘 작동하는지 테스트했다.

결과 :
"현미경의 양자 얽힘은 세포를 파괴하지 않고도 35% 더 나은 대비 선명도를 제공한다"고 Casacio의 동료 Warwick Bowen은 설명한다. "이것은 우리가 그렇지 않으면 보이지 않는 작은 생물학적 구조를 묘사할 수 있게 한다."

연구자들에 따르면 이것은 현미경과 계측학의 얽힘이 완전히 새로운 가능성을 열어준다는 것을 보여준다. "이것은 측정 분야에서 패러다임을 바꾸는 잠재적인 얽힘의 첫 번째 증거다."라고 Bowen은 말했다. "이점은 분명하다. 생활 시스템에 대한 더 나은 통찰력에서 개선된 진단 기술에 이르기까지 다양하다.“
(Nature, 2021; doi : 10.1038 / s41586-021-03528-w)
출처 : University of Queensland

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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