I ricercatori dell'Università del Colorado Boulder hanno progettato uno dei cronometri più precisi finora, non per cronometrare velocisti e nuotatori olimpici, ma per contare i singoli fotoni, oi minuscoli pacchetti di energia che compongono la luce.

L'invenzione del team potrebbe portare a grandi miglioramenti in una serie di tecnologie di imaging, dai sensori che mappano intere foreste e catene montuose a dispositivi più dettagliati in grado di diagnosticare malattie umane come l'Alzheimer e il cancro. Il gruppo ha pubblicato i suoi risultati questa settimana sulla rivista ottica .

Bowen Li, autore principale del nuovo studio, ha affermato che la ricerca si concentra su una tecnologia ampiamente applicata chiamata conteggio di singoli fotoni correlati al tempo (TCSPC). Funziona un po' come i timer che vedi alle Olimpiadi:gli scienziati prima puntano una luce laser su un campione a loro scelta, dalle singole proteine ​​fino a una massiccia formazione geologica, quindi registra i fotoni che rimbalzano su di loro. Più fotoni i ricercatori raccolgono, più possono imparare su quell'oggetto.

"TCSPC ti dà il numero totale di fotoni. Indica anche il momento in cui ogni fotone colpisce il tuo rilevatore, " disse Li, un ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Elettrica, Ingegneria Informatica ed Energetica (EECE) presso CU Boulder. "Funziona come un cronometro."

Ora, quel cronometro è migliorato più che mai. Utilizzando uno strumento di ottica ultraveloce chiamato "obiettivo temporale, " Li e i suoi colleghi dimostrano di poter misurare l'arrivo di fotoni con una precisione oltre 100 volte migliore rispetto agli strumenti esistenti.

Shu Wei Huang, autore corrispondente del nuovo studio, ha aggiunto che l'obiettivo del tempo quantistico del gruppo funziona anche con i dispositivi TCSPC più economici disponibili sul mercato.

"Possiamo aggiungere questa modifica a quasi tutti i sistemi TCSPC per migliorare la sua risoluzione temporale a singolo fotone, " disse Huang, professore assistente di ECEE.

La ricerca fa parte del nuovo programma, $ 25 milioni di sistemi quantistici attraverso il centro Entangled Science and Engineering (Q-SEnSE) guidato da CU Boulder.

fotofinish

TCSPC potrebbe non essere un nome familiare, ha detto Huang. Ma la tecnologia, che è stato sviluppato per la prima volta nel 1960, ha rivoluzionato il modo in cui gli umani vedono il mondo. Questi contatori di fotoni sono componenti importanti dei sensori lidar (o rilevamento e distanza della luce), che i ricercatori utilizzano per creare mappe geologiche. Si presentano anche in un approccio di imaging su piccola scala chiamato microscopia a vita in fluorescenza. I medici utilizzano la tecnica per diagnosticare alcune malattie come la degenerazione maculare, Morbo di Alzheimer e cancro.

"Le persone irradiano un impulso di luce sul loro campione, quindi misurano il tempo necessario per emettere un fotone, " disse Li. "Quel tempismo ti dice la proprietà del materiale, come il metabolismo di una cellula”.

Strumenti TCSPC tradizionali, però, può solo misurare quel tempo fino a un certo livello di precisione:se due fotoni arrivano al tuo dispositivo troppo vicini, diciamo, A distanza di 100 trilionesimi di secondo o meno:il rivelatore li registra come un singolo fotone. È un po' come due velocisti che arrivano al fotofinish durante una corsa di 100 metri.

Queste piccole incongruenze possono sembrare un cavillo, ma Li ha notato che possono fare una grande differenza quando si cerca di dare uno sguardo dettagliato a molecole incredibilmente piccole.

Lenti del tempo

Così lui e i suoi colleghi hanno deciso di provare a risolvere il problema utilizzando quella che gli scienziati chiamano "lente temporale".

"In un microscopio, usiamo lenti ottiche per ingrandire un piccolo oggetto in una grande immagine, " ha detto Li. "La nostra lente del tempo funziona in modo simile ma per il tempo".

Per capire come funziona quella distorsione temporale, immagina due fotoni come due corridori che corrono testa a testa, così vicini che il cronometrista delle Olimpiadi non può distinguerli. Li e i suoi colleghi passano entrambi quei fotoni attraverso la loro lente temporale, che è costituito da anelli di fibre di silice. Nel processo, uno dei fotoni rallenta, mentre l'altro accelera. Invece di una corsa serrata, ora c'è un grande divario tra i corridori, uno che un rilevatore può registrare.

"La separazione tra i due fotoni sarà amplificata, " disse Li.

E, la squadra ha scoperto, la strategia funziona:i dispositivi TCSPC con lenti temporali integrate possono distinguere tra fotoni che arrivano a un rivelatore con un gap di diverse centinaia di quadrilionesimi di secondo, ordini di grandezza migliori di quelli che i normali dispositivi possono raggiungere.

I ricercatori hanno ancora del lavoro da fare prima che le lenti temporali diventino comuni nei laboratori scientifici. Ma sperano che il loro strumento un giorno permetterà agli umani di vedere gli oggetti, dal molto piccolo al molto grande, il tutto con una chiarezza che prima era impossibile.