Uma
única haste de célula fotorreceptora retirada do olho de uma rã foi transformada
num detector extremamente sensível que pode contar fótons individuais e
determinar a coerência de pulsos extremamente fracos de luz. Criado por
pesquisadores de Cingapura, o trabalho poderá ser utilizado para desenvolver uma
foram híbrida de detectores de luz incorporando células vivas.
Os
olhos de seres humanos e de outros organismos vivos são detectores de luz extremamente
sensíveis e versáteis, que podem muitas vezes superar dispositivos artificiais.
Além disso, uma haste de célula fotorreceptora de retina humana responderá a um
único fóton - algo que apenas detectores mais sensíveis fabricados pelo homem
são capazes de fazer. A aprendizagem de como se construir melhores detectores
de luz a partir do estudo do olho humano, conduziria a uma melhor compressão das
funções desse olho e isto poderia levar ao desenvolvimento de dispositivos do
tipo "bioquânticos" que combinam componentes biológicos e artificiais
com a finalidade de se estudar aspectos da óptica quântica, tais como o "aprisionamento"
da luz.
O
estudo realizado na Agência para Ciências, Tecnologia e Pesquisa, em Cingapura,
pelo grupo do Dr. Leonid Krivitsky, foi focado nas hastes de olhos da rã
africana Xenopus laevis, uma espécie muito estudada por biólogos.
A rã africana Xenopus laevis (Cortesia:
Shutterstock)
Contendo
o fluxo
Cada haste de célula possui um
segmento exterior que contém o fotopigmento rodopsina, uma substância que sofre
uma alteração química quando exposta à luz. Quando colocada no escuro, uma
corrente constante de íons sódio, potássio e cálcio fluem de dentro para fora
da célula. No entanto, quando um fóton atinge a rodopsina, uma série de reações
químicas são desencadeadas que desligam alguns dos canais de transporte íons.
Isto causa a polarização elétrica da célula, resultando num sinal elétrico que
é captado pelo sistema nervoso e retransmitido para o cérebro.
Essas
hastes individuais possuem cerca de 50 µm de comprimento e cerca de 5 µm de
diâmetro. O experimento é iniciado com uma haste sendo sugada para uma
micropipeta e mantida viva por imersão numa solução especial, semelhante à do
olho. A micropipeta também atua como um eletrodo, permitindo assim que a
corrente de íons possa ser detectada utilizando-se um amplificador de baixo
ruído.
O
grupo de pesquisa usou o laser de luz verde (comprimento de onda = 532 nm) para
estudar a resposta óptica das hastes individuais. O time de pesquisadores disparou
diferentes tipos de pulsos de laser nas hastes e mediu a resposta. Antes de um
pulso atingir a haste, a luz é dividida em dois caminhos. Um caminho continua em
direção à haste e o outro vai para um fotodiodo de “avalanche”, um detector de
luz extremamente sensível, capaz de sentir fótons individuais. Esta
configuração óptica é usada como um interferómetro de Hanbury-Brown-Twiss, permitindo
que os pesquisadores determinem a coerência da luz que chega até à haste.
Contando
fótons
O
grupo de pesquisa mediu a fotocorrente produzida pela haste durante a mudança do
número médio de fótons por pulso de 30 a 16.000. Como esperado, a fotocorrente
aumentou como uma função do número até saturar em cerca de 1000 fótons. Também
analisaram como as hastes respondiam a dois tipos de pulsos de luz: um proveniente
de luz laser coerente e outro de pulso "pseudotermal".
Os
pulsos coerentes e pseudotermais apresentam diferentes distribuições estatísticas
no número de fótons, os pesquisadores foram capazes de usar as hastes para
detectar essa diferença. Isto significa que as hastes podem ser utilizadas como
detectores altamente sensíveis da estatística dos fótons. O grupo também foi
capaz de concluir que cada fóton no pulso interage com apenas uma molécula de rodopsina.
Embora
as fontes de luz utilizadas pelo time de pesquisadores serem clássicas, o fato
das hastes poderem distinguir entre pulsos coerentes e pseudotermais sugerem
que podem ser usadas em óptica e comunicação quântica.
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