Глазная палочка гладкой шпорцевой лягушки (Xenopus laevis) с успехом исполнила роль весьма чувствительного детектора отдельных фотонов. 

Как оказалось, такая клетка может быть ещё и определителем когерентности слабых импульсов света, что позволяет надеяться на её использование в квантовой оптике.

Гладкая шпорцевая лягушка уже послужила доказательству хемоаффинной гипотезы, но, похоже, у этого лабораторного животного всё ещё впереди. (Фото Shutterstock.)

Палочки человеческого глаза могут зарегистрировать одиночный фотон. Искусственные детекторы такой же чувствительности считаются самыми совершенными из всего, что было создано человеком, а потому вы догадываетесь об их цене. Леонид Кривицкий и его коллеги из сингапурского Агентства по науке, технологиям и исследованиям (A*STAR) попытались заменить их палочками гладкой шпорцевой лягушки, одного из типичных лабораторных животных, применяемых бионаукой.

Каждая такая палочка имеет наружный сегмент, содержащий мембранные диски с родопсином, основным зрительным пигментом почти всех животных. Именно родопсину отведена главная роль в электрической поляризации клетки глазной палочки, отвечающей за поступление сигнала от него в мозг.

После извлечения (микропипеткой) отдельной палочки (длиной 50 мкм, диаметром 5 мкм) клетку погружают в специальный раствор, сходный с содержимым глаза и поддерживающий её в живом состоянии. Одновременно пипетка функционирует как электрод, позволяющий при помощи усилителя с низким уровнем шума регистрировать поток ионов от получившей фотон палочки.

В опытах использовался лазер, работающий в зелёной части видимого спектра (532 нм). Чтобы измерить когерентность светового потока, прибывающего к клетке, одна часть лазерного импульса направлялась на стандартный лавинный светодиод, а вторая — на клетку палочки глаза земноводного.

Количество фотонов при каждом импульсе варьировалось от 30 до 16 000. При этом реакция палочки росла до примерно 1 000 фотонов в арифметической прогрессии, после чего рост резко замедлился. Что ещё более интересно, палочка оказалась чувствительной к когерентности импульса света. Она смогла различить когерентные импульсы лазерного излучения и специально рассеянный импульс, получаемый при помощи отражения лазерного импульса от вращающегося круга (поверхность которого была предварительно отшлифована). Эти два вида импульсов имеют разную статистику распределения фотонов — а значит, отмечают исследователи, гибридные биомеханические световые детекторы на базе лягушачьих палочек можно использовать и как сенсоры для анализа статистики фотонов во входящем излучении.

Схема экспериментальной установки (иллюстрация Nigel Sim et al.).

В среднем каждый фотон взаимодействовал всего с одной молекулой родопсина, что является очень высоким показателем. Эта «экономность» палочек вкупе с их способностью различать когерентный и рассеянный свет позволяет надеяться на использование таких гибридных фотодетекторов в квантовый оптике и квантовой связи. Чтобы определить степень такой пригодности, в ближайшем будущем исследователи проанализируют реакцию палочки на управляемое двухфотонное поглощение.