De nouveaux lasers scrutent les cellules

Les ingénieurs de l'Université de Harvard ont construit un laser qui pourrait permettre aux chercheurs de scruter les cellules avec une résolution ultra-élevée et de regarder les événements cellulaires au fur et à mesure qu'ils se produisent. En ajoutant des nano-antennes aux lasers infrarouges, les chercheurs ont permis de focaliser la lumière beaucoup plus étroitement. En effet, les lasers pourraient conduire à une imagerie avec une résolution au moins 100 fois supérieure.

Point lumineux : Ces deux barres d'or sur un laser à cascade quantique mesurent chacune 1,2 micromètre de long. Les barres agissent comme des antennes, focalisant la lumière infrarouge moyen sur une taille de spot équivalente à l'écart entre elles, 100 nanomètres.

Jusqu'à présent, la résolution des microscopes utilisés pour observer la composition chimique des tissus était limitée par une propriété physique de la lumière appelée limite de diffraction. En utilisant des lentilles traditionnelles, la lumière ne peut être focalisée que dans un faisceau aussi large que la moitié de sa longueur d'onde ; si un microscope utilise une lumière infrarouge moyenne avec une longueur d'onde de 24 micromètres, il ne peut être focalisé que sur un spot de 12 micromètres de large. Compte tenu de la taille des cellules animales (10 micromètres), des bactéries (1 micromètre) et des virus (des dizaines de nanomètres), c'est beaucoup trop grand.

L'année dernière, les chercheurs de Harvard ont été les premiers à développer un système pratique pour surmonter la limite de diffraction. Federico Capasso et Kenneth Crozier appliqué la technique aux lasers utilisés pour lire et écrire des disques dans des ordinateurs personnels. Ce travail peut conduire à des disques de stockage de type DVD très denses qui contiennent des centaines de films. (Voir TR10: A New Focus for Light .) Maintenant, les chercheurs de Harvard se sont tournés vers un autre type d'instrument, appelé laser à cascade quantique, et un nouveau domaine, l'imagerie biologique.

Les lasers à cascade quantique ont été développés par Capasso et d'autres aux Bell Labs en 1994. Ces lasers sont compacts et robustes et peuvent être construits pour émettre de la lumière à n'importe quelle longueur d'onde dans toute la gamme du spectre appelé infrarouge moyen. Allant de 3 à 24 micromètres, cette lumière est utile pour identifier différents produits chimiques car la lumière infrarouge moyen fait résonner les molécules à des fréquences identifiables. Les lasers à cascade quantique sont utilisés pour détecter de petites quantités de gaz, en particulier des polluants, à des niveaux aussi bas qu'une partie par milliard.

Crozier et Capasso ont créé une mise au point plus précise pour les lasers à cascade quantique préexistants en sculptant deux minuscules barres d'or où la lumière est émise. Ils déposent une fine couche d'or, puis la découpent pour laisser deux antennes rectangulaires, chacune d'environ un micromètre de diamètre. Lorsque le laser émet de la lumière, un champ électrique intense se forme dans l'espace entre les antennes en or, concentrant la lumière en un faisceau de la même largeur que l'espace, environ 100 nanomètres. Un microscope utilisant un tel laser aurait également une résolution d'environ 100 nanomètres.

Une application où les lasers à cascade quantique ne sont actuellement pas encore utilisés est l'imagerie à haute résolution, selon Claire Gmachl , ingénieur électricien à l'Université de Princeton qui a participé au développement de lasers à cascade quantique aux Bell Labs. Gmachl dit que la technique est la plus prometteuse pour l'imagerie biologique au niveau cellulaire. Les microscopes utilisant les nouveaux lasers devraient être capables de détecter, par exemple, les changements de protéines individuelles à la surface des cellules.

En utilisant les antennes optiques, dit Crozier, la taille du spot de la lumière laser n'est limitée que par l'espace entre les barres d'or. À mesure que les techniques de nanofabrication s'améliorent, il devrait être possible de fabriquer des microscopes optiques à résolution encore plus élevée.

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