Nyt kvantestopur kan forbedre billedteknologier

Forskere ved University of Colorado Boulder har designet et af de mest præcise stopure til dato - ikke til timing af olympiske sprintere og svømmere, men for at tælle enkelte fotoner, eller de små energipakker, der udgør lyset.

Holdets opfindelse kan føre til store forbedringer i en række billedteknologier – fra sensorer, der kortlægger hele skove og bjergkæder til mere detaljerede enheder, der kan diagnosticere menneskelige sygdomme som Alzheimers og kræft. Gruppen offentliggjorde sine resultater i denne uge i tidsskriftet Optica .

Bowen Li, hovedforfatter af den nye undersøgelse, sagde, at forskningen fokuserer på en bredt anvendt teknologi kaldet tidskorreleret enkelt fotontælling (TCSPC). Det fungerer lidt ligesom de timere, du ser ved OL:Forskere skinner først med et laserlys på en prøve efter eget valg, fra individuelle proteiner helt op til en massiv geologisk formation, optag derefter de fotoner, der hopper tilbage til dem. Jo flere fotoner forskere indsamler, jo mere kan de lære om det objekt.

"TCSPC giver dig det samlede antal fotoner. Det tidspunkter også, når hver foton rammer din detektor, "sagde Li, en postdoc ved Institut for Elektrisk, Computer- og energiteknik (ECEE) hos CU Boulder. "Det fungerer som et stopur."

Nu, at stopuret er blevet bedre end nogensinde. Ved at bruge et ultrahurtigt optisk værktøj kaldet en "tidslinse, "Li og hans kolleger viser, at de kan måle ankomsten af ​​fotoner med en præcision, der er mere end 100 gange bedre end eksisterende værktøjer.

Shu-Wei Huang, tilsvarende forfatter til den nye undersøgelse, tilføjede, at gruppens kvantetidslinse fungerer med selv de billigste TCSPC-enheder, der er tilgængelige på markedet.

"Vi kan tilføje denne modifikation til næsten ethvert TCSPC-system for at forbedre dets single-photon timing opløsning, " sagde Huang, adjunkt i ECEE.

Forskningen er en del af den nyligt lancerede, $25 millioner Quantum Systems gennem Entangled Science and Engineering (Q-SEnSE) center ledet af CU Boulder.

Foto finish

TCSPC er muligvis ikke et kendt navn, sagde Huang. Men teknologien, som først blev udviklet i 1960, har revolutioneret, hvordan mennesker ser verden. Disse fotontællere er vigtige komponenter i lidar-sensorer (eller lysdetektion og rækkevidde), som forskere bruger til at lave geologiske kort. De dukker også op i en mere lille skala billeddannelsesmetode kaldet fluorescens-livstidsmikroskopi. Læger anvender teknikken til at diagnosticere nogle sygdomme som makuladegeneration, Alzheimers sygdom og kræft.

"Folk skinner en lyspuls på deres prøve og måler derefter, hvor lang tid det tager at udsende en foton, " sagde Li. "Den timing fortæller dig materialets egenskaber, såsom metabolismen af ​​en celle."

Traditionelle TCSPC-værktøjer, imidlertid, kan kun måle den timing ned til et vist niveau af præcision:Hvis to fotoner ankommer til din enhed for tæt på hinanden – for eksempel 100 billioner af et sekund eller mindre fra hinanden - detektoren registrerer dem som en enkelt foton. Det er lidt ligesom to sprintere, der kommer til en fotofinish i løbet af et 100-meterløb.

Sådanne små uoverensstemmelser kan lyde som et skænderi, men Li bemærkede, at de kan gøre en stor forskel, når de forsøger at få et detaljeret kig på utroligt små molekyler.

Tidslinser

Så han og hans kolleger besluttede at prøve at løse problemet ved hjælp af det, forskerne kalder en "tidslinse".

"I et mikroskop, vi bruger optiske linser til at forstørre et lille objekt til et stort billede, " sagde Li. "Vores tidslinse fungerer på samme måde, men for tiden."

For at forstå, hvordan den tidsforvrængning fungerer, Se for dig to fotoner som to løbere, der løber om halsen – så tæt på, at OL-tidtageren ikke kan skelne dem fra hinanden. Li og hans kolleger sender begge disse fotoner gennem deres tidslinse, som er opbygget af løkker af silicafibre. I processen, en af ​​fotonerne sænker farten, mens den anden speeder op. I stedet for et tæt løb, der er nu et stort mellemrum mellem løberne, en som en detektor kan optage.

"Adskillelsen mellem de to fotoner vil blive forstørret, " sagde Li.

Og, holdet opdagede, strategien virker:TCSPC-enheder med indbyggede tidslinser kan skelne mellem fotoner, der ankommer til en detektor med et mellemrum på flere hundrede kvadrilliontedele af et sekund – størrelsesordener bedre end hvad normale enheder kan opnå.

Forskerne har stadig noget arbejde at gøre, før tidslinser bliver almindelige i videnskabelige laboratorier. Men de håber, at deres værktøj en dag vil give mennesker mulighed for at se objekter, fra de helt små til de helt store – alt sammen med en klarhed, der tidligere var umulig.