شمارش فوتون ها با گیرنده نوری قورباغه !

[∆ MeRzaD ∆]

یک سلول گیرنده نوری استوانه ای، ساخته شده از چشم قورباغه، تبدیل به آشکارگری بسیار حساس شده که می تواند فوتون ها را بشمارد و همدوسی پالس های بی نهایت ضعیف نور را تعیین کند.


این گیرنده که توسط پژوهشگرانی در سنگاپور ساخته شده، می تواند باعث ساخت آشکارسازهای ترکیبی نور شود. این دست آشکارسازها در سلول های زنده وجود دارد. چشمان انسان و دیگر ارگانیسم های زنده آشکارسازهایی بسیار حساس و همه کاره برای نور هستند و اغلب بهتر از ابزارهای دست ساز بشر کار می کنند.

سلول گیرنده نوری استوانه ای در رتینای انسان به یک فوتون پاسخ می دهد. این کا تنها از حساس ترین آشکارسازهای دست ساز بشر بر می آید. به علاوه، این که چگونه با مطالعه چشم آشکار سازهای بهتری بسازیم، باعث می گردد درک بهتری از عملکرد آن کسب کنیم و قطعات «زیست کوانتومی» را بیشتر و بهتر توسعه دهسم. در قطعات زیست کوانتومی، مولفه های زیست شناسی و اجزای دستساز را ترکیب کرده تا جنبه های اپتیک کوانتومی مانند نور فشرده را مطالعه نماییم.

در این تحقیق اخیر، لئونید کریویتسکی و همکارانش از آژانس علم، فناوری و پژوهش سنگاپور بر سلول های استوانه ای چشم قورباغه آفریقایی تمرکز کرده اند. این گونه توسط زیست شناسان بسیاری مطالعه شده است.

پاسخ اپتیکی سلول

هر استوانه بخشی خارجی دارد که حاوی رنگدانه رودوپسین[1] است؛ این ماده وقتی در معرض نور قرار می گیرد متحمل تغییرات شیمیایی می گردد. در تاریکی جریان ثابتی از یون های سدیم، پتاسیم و کلسیم به سلول وارد و از آن خارج می شود. وقتی که یک فوتون به رودوپسین برخورد می کند، زنجیره ای از واکنش های شیمیایی به وجود می آید که برخی از مجرای های انتقال یون را می بندد. این باعث قطبش الکتریکی سلول شده و  سیگنالی الکتریکی تولید می شود که توسط سیستم عصبی دریافت شده و به مغز ارسال می شود.

هر گیرنده استوانه ای در حدود 50 میکرومتر طول و 5 میکرومتر قطر دارد. این آزمایش با مکش یک سلول استوانه ای درون یک میکروپیپت آغاز می شود و این سلول با تزریق محلولی شبیه ماده چشمی، زنده می ماند. میکروپیپت مانند یک الکترود عمل می کند و اجازه می دهد که جریان یونی با استفاده از تقویت کننده کم نویز آشکاسازی شود.

گروه از نور لیزر سبز(طول موج 532 نانومتر) استفاده کردند تا پاسخ اپتیکی استوانه های تنها را مطالعه کنند. آن ها چندین نوع پالس لیزر را به سلول های استوانه ای تاباندند و سپس پاسخ آن ها را مطالعه کردند. قبل از آن که پالس به سلول برسد، نور به دو قسمت شکافته می شد. یکی از مسیرها به سلول می رسید و دیگری به دیود نوری بهمنی می رسید. این نوع از دیودها بسیار حساسند و می توانند فوتون های منفرد را آشکارگری کنند. این مجموعه اپتیکی به عنوان تداخلگر هانبری-براون-تراویس استفاده شد؛ با این تداخلگر می توان همدوسی نور رسیده به سلول را تعیین کرد.

شمارش فوتون ها

در یکی از اندازه گیری ها، این گروه در حین تغییر میانگین تعداد فوتون ها در پالس از 30 به 16000، جریان نوری تولیدشده توسط سلول استوانه ای را اندازه گیری کرد. طبق انتظار، جریان نوری به صورت تابعی از تعداد افزایش یافت تا این که حوالی 1000 فوتون اشباع شد. گروه همچنین می خواست بداند که استوانه ها به دو نوع مختلف از نور چطور پاسخ می دهند. برای این منظور، آن ها از دو نوع پالس نور لیزر همدوس و پالس های «شبه گرمایی» استفاده کردند. پالس های شبکه گرمایی، پالس هایی از لیزر هستند که بر روی دیسک چرخانی متمرکز می شوند. این دیسک با سمباده صاف شده است. نور حاصل از طریق یک دیافراگم ارسال شده و پالسی با همدوسی کم تولید می شود. پالس های همدوس و شبه گرمایی آماره های توزیع تعداد فوتون متفاوتی داند و گروه توانست از سلول های استوانه ای برای تعیین این تفاوت استفاده کند. بنابراین می توان از سلول های استوانه ای استفاده و آمار فوتون ها را استخراج کرد. با جمع آوری همه نتایج، گروه نشان داد که هر فوتون در هر پالس تنها با یک مولکول رودوپسین برهمکنش دارد.

در حالی که چشمه های نوری به کار رفته در آزمایش کلاسیکی هستند، توانایی تمیز دادن بین پالس های همدوس و شبه گرمایی بدان معناست که می توان از آن ها در اپتیک کوانتومی و ارتباطات کوانتومی بهره جست. این گروه قصد دارد پاسخ سلول های استوانه ای به نور دو فوتونی همبسته را نیز مطالعه کند.