想象一下观看你一年来拍摄的花园的延时视频：你会看到花朵从白天到夜晚、从一个季节到另一个季节的详细转变。科学家们很想在分子尺度上观察类似的转变，但是用于拍摄植物微观照片的强光会扰乱生物学家想要观察的过程，尤其是在夜间。在《Optica》杂志上，洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的物理学家邓肯·瑞安和他的同事最近展示了一种用于活体植物组织成像的工具，该工具使植物组织暴露在比星光下更少的光线下。
一种名为幽灵成像的技术，最早于1995年被证实，它涉及分裂光源以产生两束波长不同但在精确相同的时间和位置的光子流。每对光子是纠缠的——一种量子现象，它允许研究人员通过测量集合中的另一个粒子来推断关于一个粒子的信息。因此，可以在一个波长下探测样品，并在另一个波长下成像。
对于植物来说，这意味着研究人员可以记录可见光光子（其位置可以被精确测量），并获得关于红外光子的知识，红外光子与富含水分子的分子相互作用，这些分子对植物的生物学功能很重要。在新的研究中，该团队将一束红外光子 направлены 向一个透明盒子里的植物，盒子后面有一个光子计数器，同时他们将这些粒子的可见对应物 направлены 向相同距离的空盒子，盒子后面有一个多像素相机。 направлены 向空盒子的每个可见光光子击中一个像素，并在其精确位置被检测到——这种测量的精度比红外相机所能达到的精度高得多。与此同时，红外光子传播到植物盒子，但并非所有光子都被计数：植物吸收了给定位置一定百分比的光子。只有当光子同时击中相机和计数器时，计算机才会记录像素的位置，从而揭示有多少红外光穿过每个点。通过这种方式，研究人员可以使用从未接触过叶片的光子构建叶片的图像，本质上是在可见光相机上形成红外图像。“这就像玩战舰游戏，”瑞安说。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。
幽灵成像已被证明在捕捉更简单的测试设计的图片方面是成功的。但是对于像植物这样的低光传输样品，微观特征的吸收率通常仅相差几个百分点。这项新的研究之所以成为可能，是因为 LANL 开发了一种极其灵敏的探测器，它可以以万亿分之一秒的精度跟踪每个红外光子的到达——使科学家能够绘制叶片组织图并窥视活体植物的夜间活动。“我们看到[称为气孔的叶片孔隙]随着植物对黑暗的反应而关闭，”瑞安说。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室的激光光谱学和量子光学研究员奥黛丽·埃顺说，幽灵成像“为不损害活体样本的长时间动态成像创造了可能性”，她称这项新研究为“真正创新的研究”。
这类观察使跟踪植物如何在昼夜节律周期中使用水和阳光成为可能。“我们正在观察植物对它们环境的反应，”瑞安说，“而不是对我们对它们的观察做出反应。”