Nei metodi di imaging convenzionali, un raggio di fotoni (o altre particelle) viene riflesso dall'oggetto da acquisire. Dopo che il raggio raggiunge un rilevatore, le informazioni ivi raccolte vengono utilizzate per creare una fotografia o altro tipo di immagine. In una tecnica di imaging alternativa chiamata "immagine fantasma, " il processo funziona in modo leggermente diverso:un'immagine viene ricostruita a partire da informazioni rilevate da un raggio che non interagisce mai effettivamente con l'oggetto.

La chiave per l'imaging fantasma è utilizzare due o più fasci di particelle correlati. Mentre un raggio interagisce con l'oggetto, il secondo raggio viene rilevato e utilizzato per ricostruire l'immagine, anche se il secondo raggio non interagisce mai con l'oggetto. L'unico aspetto del primo raggio che viene rilevato è il tempo di arrivo di ciascun fotone su un rivelatore separato. Ma poiché i due raggi sono correlati, l'immagine dell'oggetto può essere completamente ricostruita.

Sebbene nell'imaging fantasma vengono solitamente utilizzati due raggi, recenti ricerche hanno dimostrato correlazioni di ordine superiore, ovvero correlazioni tra tre, quattro, o cinque raggi. L'imaging fantasma di ordine superiore può portare a miglioramenti nella visibilità dell'immagine, ma presenta lo svantaggio che gli eventi correlati di ordine superiore hanno una probabilità inferiore di rilevamento, che causa una risoluzione inferiore.

In un nuovo documento, un team di fisici dell'Australian National University di Canberra ha ottenuto due primati nell'imaging di fantasmi di ordine superiore:la prima dimostrazione di immagini di fantasmi di ordine superiore con particelle massicce (utilizzano atomi di elio ultrafreddi) e la prima immagine di fantasmi di ordine superiore che utilizza fasci correlati da una sorgente quantistica. Come loro fonte quantistica, i ricercatori hanno utilizzato due condensati di Bose-Einstein in collisione, che sono gruppi di atomi raffreddati vicino allo zero assoluto. A temperature così fredde, gli atomi in un condensato di Bose-Einstein si raggruppano e si comportano come un singolo atomo gigante.

Nel loro lavoro, i ricercatori hanno eseguito esperimenti utilizzando correlazioni tra un massimo di cinque atomi di elio. Hanno dimostrato che, a determinate condizioni, l'imaging fantasma di ordine superiore con particelle massicce da una sorgente quantistica può migliorare la visibilità dell'immagine senza influire sulla risoluzione.

"Penso che il più grande significato del nostro lavoro sia soprattutto essere in grado di dimostrare che un esperimento così impegnativo è possibile, il fisico Sean Hodgman dell'Australian National University, primo autore del saggio, detto Phys.org . "Esiste un numero molto piccolo di eventi correlati a più particelle in una sorgente quantistica, che è in parte il motivo per cui non è stato dimostrato in precedenza con l'ottica, e questo significa che anche dopo molte decine di migliaia di esecuzioni sperimentali sono disponibili solo pochissimi eventi da cui ricostruire un'immagine fantasma".

I miglioramenti qui dimostrati potrebbero essere particolarmente utili per le applicazioni che richiedono un'elevata visibilità ma si danneggiano facilmente. Questo perché la tecnica ha il potenziale per ridurre i tassi di dosaggio, che riduce il potenziale danno da radiazioni al campione. Una di queste applicazioni è la litografia fantasma atomica.

"La litografia fantasma atomica sarebbe come una normale litografia atomica, ma l'utilizzo di fasci correlati consentirebbe il monitoraggio in tempo reale del processo litografico, " Ha detto Hodgman. "Le correlazioni di ordine superiore migliorerebbero la litografia fantasma consentendo flussi inferiori con la stessa qualità del segnale, il che è importante in quanto i flussi elevati rischiano di danneggiare il campione."

Con ulteriore lavoro, l'imaging di fantasmi quantistici di ordine superiore potrebbe anche essere utilizzato per eseguire test fondamentali della meccanica quantistica, come dimostrare entanglement tra più atomi o, in un filone correlato, effettuare misurazioni della disuguaglianza di Bell utilizzando tre o più particelle.

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