Призрачная визуализация дает ученым возможность наблюдать за растениями, не вмешиваясь в их естественное состояние.

Исследователям необходимо изучать растения для различных сельскохозяйственных задач, включая те, которые используются для производства биотоплива. Это включает в себя оптимизацию их роста и поддержание их здоровья для достижения максимальной урожайности, устойчивости к болезням, вредителям и неблагоприятным погодным условиям.

Ученые из США смогли наблюдать за процессами в живом сорго с помощью метода, который не причиняет вреда растению. Данное исследование опубликовано в журнале Optica.

Как правило, для тщательного изучения процессов в растении его необходимо срезать, вводить специальные «метки» или подвергать воздействию вредных уровней светового излучения, что может вызвать стресс или повреждения тканей. Метки и красители помогают исследователям наблюдать детали растения и его состояние на микроуровне, но могут нарушать естественные процессы, происходящие внутри растений.

Метод квантовой призрачной визуализации (Quantum Ghost Imaging, QGI) позволяет получать изображения при крайне низких уровнях освещения. Более того, он улучшает качество изображений в диапазонах длин волн, где традиционные камеры работают неэффективно и не способны предоставить четкое изображение. 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, служит для измерения и корреляции с сигналом. У фотонов разные длины волн: у сигнального — инфракрасный диапазон, а у идлера — видимый.

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

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

Методика, не наносящая вреда растениям, исследует образец на одной длине волны излучения, а изображение формируется за счет коррелированных фотонов другой длины волны. Разделение спектра устраняет необходимость в высокочувствительных детекторах в ближнем инфракрасном диапазоне, что снижает требуемую интенсивность освещения. Для улавливания света, прошедшего через растение, оказалось достаточно детектора одиночных фотонов.

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

С помощью бесконтактной инфракрасной визуализации исследователи могут собирать важные данные о ключевых процессах в живом растении, непосредственно наблюдая за процессами фотосинтеза и колебаниями содержания воды.

Применение QGI расширяет возможности биовизуализации при крайне низкой освещенности. Это особенно важно при работе с чувствительными к свету образцами, поскольку некоторые ткани растений могут деградировать под воздействием определенного излучения.