I ricercatori hanno dimostrato che i fotoni entangled possono essere utilizzati per migliorare la profondità di penetrazione della tomografia a coerenza ottica (OCT) in materiali ad alta dispersione. Il metodo rappresenta un modo per eseguire l'OCT con lunghezze d'onda del medio infrarosso e potrebbe essere utile per prove e analisi non distruttive di materiali come ceramiche e campioni di vernice.

L'OCT è un metodo di imaging non distruttivo che fornisce immagini 3D dettagliate delle strutture del sottosuolo. L'OCT viene in genere eseguito utilizzando lunghezze d'onda visibili o nel vicino infrarosso perché le sorgenti luminose e i rilevatori per queste lunghezze d'onda sono prontamente disponibili. Però, queste lunghezze d'onda non penetrano molto in profondità in materiali altamente disperdenti o molto porosi.

In ottica , La rivista della Optical Society (OSA) per la ricerca ad alto impatto, Aron Vanselow e colleghi della Humboldt-Universität zu Berlin in Germania, insieme ai collaboratori del Centro di ricerca per i test non distruttivi GmbH in Austria, dimostrare un esperimento di prova del concetto per OCT nel medio infrarosso basato su coppie di fotoni entangled a banda ultra larga. Dimostrano che questo approccio può produrre immagini 2-D e 3-D di alta qualità di campioni altamente diffusi utilizzando un formato relativamente compatto, configurazione ottica semplice.

"Il nostro metodo elimina la necessità di sorgenti o rilevatori a medio infrarosso a banda larga, che hanno reso difficile sviluppare sistemi OCT pratici che funzionino a queste lunghezze d'onda, " ha detto Vanselow. "Rappresenta una delle prime applicazioni del mondo reale in cui i fotoni entangled sono competitivi con la tecnologia convenzionale".

La tecnica potrebbe essere utile per molte applicazioni, compresa l'analisi dei complessi strati di vernice utilizzati su aeroplani e automobili o il monitoraggio dei rivestimenti utilizzati sui prodotti farmaceutici. Può anche fornire immagini 3D dettagliate che sarebbero utili per la conservazione dell'arte.

Attingendo alla meccanica quantistica

Quando i fotoni sono entangled, si comportano come se potessero influenzarsi a vicenda all'istante. Questo fenomeno della meccanica quantistica è essenziale per molte applicazioni della tecnologia quantistica in fase di sviluppo, come il rilevamento quantistico, comunicazioni quantistiche o calcolo quantistico.

Per questa tecnica, i ricercatori hanno sviluppato e brevettato un cristallo non lineare che crea coppie di fotoni a banda larga con lunghezze d'onda molto diverse. Uno dei fotoni ha una lunghezza d'onda che può essere facilmente rilevata con apparecchiature standard mentre l'altro fotone è nella gamma del medio infrarosso, rendendo difficile il rilevamento. Quando i fotoni difficili da rilevare illuminano un campione, cambiano il segnale in un modo che può essere misurato usando solo i fotoni facili da rilevare.

"La nostra tecnica semplifica l'acquisizione di misurazioni utili a quella che è una gamma di lunghezze d'onda tradizionalmente difficile da gestire a causa delle sfide tecnologiche, " ha detto Sven Ramelow, che ha ideato e guidato la ricerca. "Inoltre, i laser e le ottiche che abbiamo utilizzato non sono complessi e sono anche più compatti, robusti ed economici rispetto a quelli utilizzati negli attuali sistemi OCT nel medio infrarosso."

Imaging con meno luce

Per dimostrare la tecnica, i ricercatori hanno prima confermato che le prestazioni della loro configurazione ottica corrispondevano alle previsioni teoriche. Hanno scoperto che potrebbero utilizzare sei ordini di grandezza in meno di luce per ottenere lo stesso rapporto segnale-rumore dei pochi sistemi OCT convenzionali nel medio infrarosso sviluppati di recente.

"Siamo rimasti positivamente sorpresi di non aver visto alcun rumore nelle misurazioni oltre al rumore quantico intrinseco della luce stessa, " ha detto Ramelow. "Questo spiega anche perché possiamo ottenere un buon rapporto segnale-rumore con così poca luce".

I ricercatori hanno testato la loro configurazione su una serie di campioni del mondo reale, compresi campioni di vernice ad alta dispersione. Hanno anche analizzato due pile di ceramica di allumina dello spessore di 900 micron contenenti microcanali fresati al laser. L'illuminazione nel medio infrarosso ha permesso ai ricercatori di acquisire informazioni sulla profondità e di creare una ricostruzione 3D completa delle strutture del canale. I pori nella ceramica di allumina rendono questo materiale utile per i test antidroga e il rilevamento del DNA, ma anche per un'elevata dispersione alle lunghezze d'onda tradizionalmente utilizzate per l'OCT.

I ricercatori hanno già iniziato a collaborare con partner dell'industria e altri istituti di ricerca per sviluppare una testa sensore OCT compatta e un sistema completo per un'applicazione commerciale pilota.