Призрачная визуализация позволяет ученым следить за растениями, не оказывая на них влияния

Ученым нужно изучать растения для разных хозяйственных целей, в том числе использующиеся для производства биотоплива, — оптимизировать их рост и поддерживать здоровое состояние для максимального повышения урожайности, устойчивости к болезням, вредителям и неблагоприятным погодным условиям.

Ученые из США смогли пронаблюдать за процессами в живом сорго методом, не нанесшим растению никакого вреда. Исследование опубликовано в журнале Optica.

Обычно для детального изучения процессов в растении их приходится срезать, вводить внутрь специальные «метки » или подвергать вредным уровням светового излучения, которые вызывают стресс или повреждают ткани растения. Метки и красители позволяют исследователям наблюдать детали растения и его состояние на микроуровне, но могут нарушать естественные протекающие внутри растений процессы.

Метод квантовой призрачной визуализации (Quantum Ghost Imaging, QGI) позволяет получать изображения при экстремально низких уровнях освещения. Более того, он улучшает качество изображений в диапазонах длин волн, где традиционные камеры работают неэффективно и не могут дать четкой картинки. Метод использует эффект спонтанного параметрического двойного рассеяния (SPDC) для создания пары связанных фотонов. Один из этих фотонов, называемый сигналом, используется для формирования изображения, а другой, называемый идлером, используется для измерения и корреляции с сигналом. У фотонов разные длины волн, у сигнального — в инфракрасном диапазоне, у идлера — в видимом.

Идлер проходит через растение, взаимодействует с водой в нем и попадает на свой детектор, сигнальный фотон — в другой, свой. После сопоставления информации от двух детекторов исследователи могут делать выводы об объекте, на который было направлено излучение, и строить изображение

Ученые поместили растения сорго, кинзу и папоротник в световой поток интенсивностью три аттоватт на квадратный сантиметр. После этого с помощью инфракрасного света они детектировали специфические видимые в этом диапазоне химические вещества и видимый свет.

Не повреждающая растения методика исследует образец на одной длине волны излучения, а изображение формируют за счет коррелированных фотонов другой длины волны. Разделение спектра устраняет необходимость в высокочувствительных детекторах в ближнем инфракрасном диапазоне, снижая требуемую интенсивность освещения. Чтобы уловить прошедший через растение свет, оказалось достаточно детектора одиночных фотонов.

Исследователи смогли добиться квантовой призрачной визуализации с беспрецедентной чувствительностью и контрастностью. Растения, участвующие в экспериментах, не получили никаких повреждений. 

Используя бесконтактную инфракрасную визуализацию, исследователи могут собирать важную информацию о ключевых процессах в живом растении, напрямую наблюдать процессы фотосинтеза и колебания содержания воды. 

Применение QGI расширяет возможности биовизуализации при экстремально низкой освещенности. Это важно для работы с чувствительными к свету образцами — некоторые ткани растений деградируют под определенным излучением.