Des détecteurs à nanofils à faible bruit capturent l’information quantique avec un niveau de détail sans précédent
Depuis son invention en 1673, la microscopie optique a considérablement amélioré notre compréhension de la biologie. Cependant, ses performances et son utilité en biomédecine sont considérablement limitées par la diffusion de la lumière. Cette limitation devient cruciale lorsqu’il s’agit d’aborder des questions profondes en biologie des systèmes. Par exemple, comment les structures et la dynamique des réseaux neuronaux affectent-elles le fonctionnement du cerveau? Pour répondre à cette question, les chercheurs doivent capturer la dynamique biologique de grandes populations cellulaires avec une haute résolution temporelle sur une large gamme spectrale. «Ce n’est pas une mince affaire, car il s’agit d’imager des neurones dans de vastes zones du cerveau et à des profondeurs que les technologies actuelles ne peuvent atteindre», note Sander Dorenbos, coordinateur du projet Brainiaqs financé par l’UE et directeur général de Single Quantum. Sander Dorenbos souligne que la profondeur et la résolution d’imagerie actuelles en microscopie optique sont limitées en raison des faibles spécifications des détecteurs de lumière. «Les nanofils supraconducteurs multipixels offrent une solution potentielle, promettant de doubler à la fois la profondeur et la résolution de l’imagerie», déclare Sander Dorenbos. L’objectif de Brainiaqs était d’intégrer la technologie de la détection quantique aux innovations des sciences de la vie, qui recherchent en permanence de nouvelles techniques d’imagerie biologique permettant des diagnostics précis et non invasifs.
Imagerie à l’aide de réseaux de capteurs quantiques
La première réalisation de Brainiaqs a été la mise au point d’un réseau multipixel de capteurs quantiques basés sur des détecteurs de photons uniques à nanofils supraconducteurs (SNSPD). Ces détecteurs offrent une grande efficacité de détection, une résolution temporelle ultrarapide et un faible temps mort. En outre, ils peuvent compter des photons uniques dans une gamme de longueurs d’onde comprise entre 1 500 et 2 500 nm. Le réseau innovant de capteurs quantiques, associé à un cryostat optique et à une électronique évolutive, a été baptisé SQCam. Le SQCam a donné des résultats remarquables. «Il a atteint une efficacité de plus de 60 % et des taux de comptage dans l’obscurité aussi bas que 1 000 cps. Avec une résolution temporelle ultra-élevée de moins de 50 ps, il surpasse les détecteurs traditionnels dans le spectre visible et le proche infrarouge», fait remarquer Sander Dorenbos. «Nous avons réussi à augmenter la taille des détecteurs à 24 pixels, avec une zone active d’environ 2 500 m2.» L’électronique de lecture qui détecte et amplifie le signal de détection des photons est un composant important qui affecte les caractéristiques globales du détecteur, telles que la gigue temporelle, le temps de réinitialisation et le taux de comptage maximal. Les membres du projet ont conçu et mis en œuvre les premiers amplificateurs à faible bruit basés sur le SiGe pour fonctionner avec des SNSPD. Ces amplificateurs cryogéniques améliorent considérablement le rapport signal/bruit du signal de sortie extrêmement faible du SNSPD, minimisant ainsi la gigue temporelle.
Microscopie multiphotonique avancée intégrant les réseaux de capteurs
Les chercheurs ont intégré le SQCam dans un microscope multiphotonique et ont mené des expériences de bio-imagerie in vitro et in vivo. Ces expériences, menées en collaboration avec le Laboratoire européen de biologie moléculaire (LEBM), ont permis à l’équipe d’affiner les paramètres de performance du microscope afin d’en maximiser la praticité et l’impact. Le système de microscope multiphotonique a été spécialement conçu pour fonctionner avec des chromophores absorbant la lumière infrarouge proche, ce qui permet d’étendre la zone de détection à 1 mm2. En définitive, les chercheurs ont utilisé ce système pour obtenir des images non invasives des fonctions biologiques du cerveau d’une souris à une profondeur de l’ordre du millimètre, ce qui représente une amélioration importante par rapport aux technologies d’imagerie existantes. L’avancée technologique démontrée par Brainiaqs offrira à la communauté de l’imagerie multiphotonique un avantage significatif. «Cependant, les applications du détecteur vont au-delà des neurosciences. Nous avons déjà vendu à l’Agence spatiale européenne (ESA) un détecteur complet destiné aux communications spatiales», conclut Sander Dorenbos.
Mots‑clés
Brainiaqs, imagerie, résolution, profondeur, cerveau, capteurs quantiques, microscope multiphotonique, détecteurs de photons uniques à nanofils supraconducteurs
