L’obiettivo del progetto SuperTwin finanziato dall’Unione europea, è di creare una nuova generazione di microscopi in grado di risolvere le immagini al di sotto dell’attuale limite di 250 nanometri imposto ai microscopi ottici dall’uso di fonti di illuminazione tradizionali. La tecnologia innovativa, sfruttando un fenomeno della fisica quantistica chiamato entanglement, apre invece alla possibilità di visualizzare direttamente per la prima volta anche gli organismi più piccoli, compresi molti virus.

I microscopi ottici convenzionali che usano la luce come fonte di illuminazione, hanno infatti aggiunto il proprio limite tecnologico, noto come Criterio di Rayleigh, che non consente di osservare direttamente oggetti o organismi al di sotto dei 250 nanometri perché la diffrazione della luce utilizzata per illuminare finisce per impedire l’osservazione stessa.

Immagine: SuperTwin.eu

Il progetto SuperTwin riesce invece a superare tali limiti posti dalla fisica classica, grazie a tre innovazioni chiave, come ha spiegato il coordinatore del progetto Matteo Perenzoni della Fondazione Bruno Kessler. Sostanzialmente il nuovo microscopio si basa sugli ultimi avanzamenti nel campo della fisica quantistica, sullo sviluppo di una nuova tecnologia per la fabbricazione di laser e, infine, sull’adattamento dei rivelatori a singolo fotone. Per quanto riguarda il primo punto, SuperTwin sfrutta in particolare il cosiddetto entanglement o correlazione quantistica, ovvero un particolare fenomeno, privo di analogo nella fisica classica, per cui due particelle risultano legate indissolubilmente anche se si trovassero ai due estremi dell’universo, tanto che misurando lo stato dell’una si conoscerebbe automaticamente quello dell’alta.

Sfruttando questo rapporto, in condizioni specifiche, è possibile generare particelle di luce che, essendo interconnesse, possono trasportare più informazioni rispetto ai singoli fotoni, consentendo così di superare i limiti imposti dalla fisica classica e dai problemi di diffrazione della luce. In SuperTwin infatti il campione da osservare è illuminato da un fascio di fotoni entangled, che trasportano informazioni poi estratte tramite algoritmi e infine ricomposte come un puzzle. Una soluzione apparentemente complessa, ma che ha già consentito ai ricercatori di osservare direttamente campioni di 41 nanometri, cinque volte oltre il limite del Criterio di Rayleigh.

Per raggiungere il loro obiettivo finale, il team del progetto ha dovuto compiere diversi progressi tecnologici, tra cui la messa a punto di un emettitore a stato solido di fotoni aggrovigliati in grado di generare impulsi di luce intensi e ultracorti e di un sensore di immagine quantistica ad alta risoluzione in grado di rilevare fotoni aggrovigliati. Effettuando moltissimi esperimenti, inoltre, il team ha anche creato un nuovo quadro teorico per spiegare la dinamica su scala atomica della generazione di fotoni aggrovigliati.

Le potenzialità di SuperTwin sono enormi. Grazie alla sua potenza infatti sarà possibile approssimarsi maggiormente alla realtà dei fenomeni osservati, raccogliendo dati più affidabili, con la possibilità di sviluppare teorie più precise. Applicato al mondo dei virus significa quindi ottenere una conoscenza maggiore dei loro meccanismi di contagio e replicazione, con la possibilità di mettere a punto cure più efficaci.

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