想象一下觀看你一年來拍攝的花園的延時影片：你會看到花朵從白天到夜晚、從一個季節到另一個季節的詳細轉變。科學家們很想在分子尺度上觀察類似的轉變，但是用於拍攝植物微觀照片的強光會擾亂生物學家想要觀察的過程，尤其是在夜間。在《Optica》雜誌上，洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）的物理學家鄧肯·瑞安和他的同事最近展示了一種用於活體植物組織成像的工具，該工具使植物組織暴露在比星光下更少的光線下。
一種名為幽靈成像的技術，最早於1995年被證實，它涉及分裂光源以產生兩束波長不同但在精確相同的時間和位置的光子流。每對光子是糾纏的——一種量子現象，它允許研究人員透過測量集合中的另一個粒子來推斷關於一個粒子的資訊。因此，可以在一個波長下探測樣品，並在另一個波長下成像。
對於植物來說，這意味著研究人員可以記錄可見光光子（其位置可以被精確測量），並獲得關於紅外光子的知識，紅外光子與富含水分子的分子相互作用，這些分子對植物的生物學功能很重要。在新的研究中，該團隊將一束紅外光子 направлены 向一個透明盒子裡的植物，盒子後面有一個光子計數器，同時他們將這些粒子的可見對應物 направлены 向相同距離的空盒子，盒子後面有一個多畫素相機。 направлены 向空盒子的每個可見光光子擊中一個畫素，並在其精確位置被檢測到——這種測量的精度比紅外相機所能達到的精度高得多。與此同時，紅外光子傳播到植物盒子，但並非所有光子都被計數：植物吸收了給定位置一定百分比的光子。只有當光子同時擊中相機和計數器時，計算機才會記錄畫素的位置，從而揭示有多少紅外光穿過每個點。透過這種方式，研究人員可以使用從未接觸過葉片的光子構建葉片的影像，本質上是在可見光相機上形成紅外影像。“這就像玩戰艦遊戲，”瑞安說。
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幽靈成像已被證明在捕捉更簡單的測試設計的圖片方面是成功的。但是對於像植物這樣的低光傳輸樣品，微觀特徵的吸收率通常僅相差幾個百分點。這項新的研究之所以成為可能，是因為 LANL 開發了一種極其靈敏的探測器，它可以以萬億分之一秒的精度跟蹤每個紅外光子的到達——使科學家能夠繪製葉片組織圖並窺視活體植物的夜間活動。“我們看到[稱為氣孔的葉片孔隙]隨著植物對黑暗的反應而關閉，”瑞安說。
勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的雷射光譜學和量子光學研究員奧黛麗·埃順說，幽靈成像“為不損害活體樣本的長時間動態成像創造了可能性”，她稱這項新研究為“真正創新的研究”。
這類觀察使跟蹤植物如何在晝夜節律週期中使用水和陽光成為可能。“我們正在觀察植物對它們環境的反應，”瑞安說，“而不是對我們對它們的觀察做出反應。”