Nuo kvantinės fizikos iki biomedicinos: FTMC ir Glazgo universiteto mokslininkų darbas – tarptautinio žurnalo viršelyje

Kaip kvantinės fizikos reiškinį galima panaudoti tiriant biologines ląsteles? FTMC ir Glazgo universiteto (Škotija) mokslininkai parodė, kad Hong–Ou–Mandel efektas gali būti pritaikytas molekulių fluorescencijos gyvavimo trukmei matuoti. Tyrėjų pasiūlytas sprendimas leidžia supaprastinti tokiems matavimams reikalingą įrangą ir sumažinti jos kainą. Šis darbas sulaukė ir tarptautinio pripažinimo – prestižinis mokslinis žurnalas „APL Photonics“ jam skyrė savo viršelį.

Kvantinis reiškinys padeda tirti molekules

Vienas iš būdų tyrinėti biologinėse ląstelėse vykstančius procesus – fluorescencijos gyvavimo trukmės vaizdinimas. Šiuo metodu matuojama, kiek laiko molekulė švyti po to, kai ją sužadina šviesa. Tokie matavimai padeda stebėti molekulių aplinkos pokyčius ir tirti jų tarpusavio sąveiką, todėl yra svarbūs biomedicininiuose tyrimuose.

Šiai technologijai įgyvendinti paprastai reikia sudėtingos lazerinės įrangos. FTMC ir Glazgo universiteto mokslininkai ieškojo būdo, kaip matavimus atlikti paprasčiau, ir tam pasitelkė kvantinės fizikos reiškinį – Hong–Ou–Mandel (HOM) efektą.

Šis 1987 m. atrastas reiškinys apibūdina neįprastą dviejų fotonų – šviesos dalelių – elgesį. Kai du vienodi fotonai vienu metu pasiekia pusiau pralaidų veidrodį iš priešingų pusių, dėl kvantinių savybių jie iš jo sklinda kartu, o ne atskirai.

Mokslininkai šį reiškinį pritaikė kaip savotišką kvantinį jutiklį, leidžiantį matuoti itin trumpą – pikosekundžių (trilijonųjų sekundės dalių) – molekulių fluorescencijos gyvavimo trukmę.

Vienas lazeris vietoj dviejų

FTMC ir Glazgo universiteto fizikas dr. Vytautas Žickus su bendraautoriais patobulino fluorescencijos gyvavimo trukmės matavimo metodą, pagrįstą HOM efektu (FL-HOM). Jie panaudojo superkontinuumo lazerinį šaltinį, leidžiantį iš vieno lazerio gauti skirtingų bangos ilgių šviesą.

Ankstesniuose šio metodo eksperimentuose reikėjo dviejų atskirų lazerinių šaltinių, o naujajame tyrime parodyta, kad pakanka vieno femtosekundinio lazerio. Jo spinduliuotė, pasitelkus superkontinuumą, paverčiama skirtingų bangos ilgių šviesa, kuri naudojama fotonų statistikai ir kvantinei interferencijai tirti.

„Tai ne tik supaprastina eksperimentinę schemą, bet ir gerokai sumažina jos kainą – atveria galimybę šį metodą plačiau taikyti biomedicininiuose tyrimuose. Jis gali padėti geriau suprasti ląstelėse vykstančius procesus, susijusius su ligomis ar medikamentų poveikiu“, – teigia dr. V. Žickus.

Tyrėjai taip pat nustatė, kad keičiant superkontinuumo šviesos bangos ilgį galima valdyti kvantiniu principu veikiančio jutiklio jautrumą. Tai suteikia galimybę lanksčiau pritaikyti metodą skirtingiems matavimams.

Lietuviškasis indėlis – ir iš studentų

Tyrimas – bendras FTMC Plazmonikos ir nanofotonikos laboratorijos (PNL) bei Glazgo universiteto „Extreme Light“ grupės darbo rezultatas. Lietuvos mokslininkų veiklą koordinuoja dr. V. Žickus, dirbantis abiejose institucijose. Jis taip pat vadovauja Lietuvos mokslo tarybos finansuojamam mokslininkų grupių projektui Nr. S-MIP-24-91, kurio lėšomis buvo inicijuoti šie tyrimai.

Prie darbo prisidėjo ir FTMC Plazmonikos ir nanofotonikos laboratorijoje dirbanti bakalauro studentė Evita Spalinskaitė. Ji atliko svarbius tyrimo eksperimentus tiek Glazgo universitete, tiek FTMC.

„Ypač džiugina tai, kad reikšmingą eksperimentinį indėlį į šį darbą įnešė studentė. Tai rodo, kad prie tarptautinio lygio mokslinių tyrimų gali prisidėti ir dar bakalauro studijas studijuojantys jauni žmonės“, – sako PNL vadovas prof. dr. Zigmas Balevičius.

Mokslininkų straipsnis „The Role of Photon Statistics in Fluorescence Lifetime Sensing with Hong-Ou-Mandel effect“ paskelbtas 2026 m. spalio mėnesio žurnalo „APL Photonics“ numeryje. Tyrimo rezultatai pristatyti ir žurnalo viršelyje.

Scilight 2026, 401109 (2026)

FTMC informacija