Hvordan tager du et bedre billede af atomskyer? Spejle – masser af spejle

Når det går online, vil MAGIS-100-eksperimentet ved Department of Energy's Fermi National Accelerator Laboratory og dets efterfølgere udforske naturen af ​​gravitationsbølger og søge efter visse former for bølgelignende mørkt stof. Men først skal forskerne finde ud af noget ret grundlæggende:hvordan man får gode fotografier af atomskyerne i hjertet af deres eksperiment.

Forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory indså, at opgaven måske ville være den ultimative øvelse inden for fotografering med ultralavt lys.

Men et SLAC-hold, der omfattede Stanford-kandidatstuderende Sanha Cheong og Murtaza Safdari, SLAC-professor Ariel Schwartzman og SLAC-videnskabsmænd Michael Kagan, Sean Gasiorowski, Maxime Vandegar og Joseph Frish, fandt en enkel måde at gøre det på:spejle. Ved at arrangere spejle i en kuppellignende konfiguration omkring et objekt, kan de reflektere mere lys mod kameraet og afbilde flere sider af et objekt samtidigt.

Og teamet rapporterer i Journal of Instrumentation , der er en ekstra fordel. Fordi kameraet nu samler visninger af et objekt taget fra mange forskellige vinkler, er systemet et eksempel på "light-field imaging", som ikke kun fanger lysets intensitet, men også hvilken retning lysstrålerne bevæger sig. Som et resultat kan spejlsystemet hjælpe forskere med at bygge en tredimensionel model af et objekt, såsom en atomsky.

"Vi fremmer billeddannelsen i eksperimenter som MAGIS-100 til det nyeste billeddannelsesparadigme med dette system," sagde Safdari.

En usædvanlig fotografisk udfordring

Den 100 meter lange Matter-wave Atomic Gradiometer Interferometric Sensor, eller MAGIS-100, er en ny slags eksperiment, der installeres i en lodret aksel på DOE's Fermi National Accelerator Laboratory. Kendt som et atominterferometer, vil det udnytte kvantefænomener til at detektere forbipasserende bølger af ultralet mørkt stof og fritfaldende strontiumatomer.

Eksperimentører vil frigive skyer af strontiumatomer i et vakuumrør, der løber langs skaftet, og derefter skinne laserlys på de fritfaldende skyer. Hvert strontiumatom fungerer som en bølge, og laserlyset sender hver af disse atombølger ind i en superposition af kvantetilstande, hvoraf den ene fortsætter på sin oprindelige vej, mens den anden sparkes meget højere op.

Når de kombineres igen, skaber bølgerne et interferensmønster i strontium-atombølger, der ligner det komplekse mønster af krusninger, der opstår efter at have hoppet over en sten på en dam. Dette interferensmønster er følsomt over for alt, der ændrer den relative afstand mellem parrene af kvantebølger eller atomernes indre egenskaber, som kan være påvirket af tilstedeværelsen af ​​mørkt stof.

For at se interferensmønstrene vil forskere bogstaveligt talt tage billeder af en sky af strontiumatomer, som kommer med en række udfordringer. Strontiumskyerne i sig selv er små, kun omkring en millimeter på tværs, og de detaljer, som forskerne skal se, er omkring en tiendedel af en millimeter på tværs. Selve kameraet skal sidde uden for et kammer og kigge gennem et vindue over en forholdsvis lang afstand for at se strontiumskyerne indeni.

Men det virkelige problem er lys. For at belyse strontiumskyerne vil eksperimentatorer skinne lasere på skyerne. Men hvis laserlyset er for intenst, kan det ødelægge de detaljer, forskerne ønsker at se. Hvis det ikke er intenst nok, vil lyset fra skyerne være for svagt til, at kameraerne kan se det.

"Du kommer kun til at samle så meget lys, som falder på linsen," sagde Safdari, "hvilket ikke er meget."

spejle til undsætning

En idé er at bruge en bred blændeåbning eller åbning til at lukke mere lys ind i kameraet, men der er en afvejning:En bred blændeåbning skaber, hvad fotografer kalder en smal dybdeskarphed, hvor kun et snævert udsnit af billedet er i fokus.

En anden mulighed ville være at placere flere kameraer omkring en sky af strontiumatomer. Dette kunne samle mere af det genudsendte lys, men det ville kræve flere vinduer eller alternativt montering af kameraerne inde i kammeret, og der er ikke meget plads derinde til en masse kameraer.

Løsningen dukkede op, sagde Schwartzman, under en brainstormsession i laboratoriet. Mens de sprængte ideer rundt, kom personaleforskeren Joe Frisch på ideen om spejle.

"Det, du kan gøre, er at reflektere lyset, der rejser væk fra skyen, tilbage til kameralinsen," sagde Cheong. Som et resultat kan et kamera ikke bare samle meget mere lys, men også flere visninger af et objekt fra forskellige vinkler, som hver især viser sig på det rå fotografi som et tydeligt sted på en sort baggrund. Denne samling af forskellige billeder, indså holdet, betød, at de havde udtænkt en form for såkaldt 'light-field imaging' og måske kunne rekonstruere en tredimensionel model af atomskyen, ikke kun et todimensionelt billede.

3D-print af en idé

Med støtte fra et laboratoriestyret forsknings- og udviklingsstipendium tog Cheong og Safdari spejlidéen og løb med den, og designede en række små spejle, der kunne omdirigere lys fra hele en atomsky tilbage mod et kamera. Ved hjælp af noget algebra- og ray-tracing-software udviklet af Kagan og Vandegar, beregnede holdet de helt rigtige positioner og vinkler, der ville gøre det muligt for spejlet at holde mange forskellige billeder af skyen i fokus på kameraet. Holdet udviklede også computersyn og kunstig intelligens-algoritmer til at bruge 2D-billederne til at udføre 3D-rekonstruktion.

Det er den slags ting, der kan virke indlysende set i bakspejlet, men det krævede mange overvejelser at opnå, sagde Schwartzman. "Da vi først fandt på det her, tænkte vi:'Folk må have gjort det her før'," sagde han, men faktisk er det nyt nok, at gruppen har ansøgt om patent på enheden.

For at afprøve ideen lavede Cheong og Safdari en mock-up med et 3D-printet stillads, der holdt spejlene, og fremstillede derefter et mikro-3D-printet fluorescerende objekt, der udtaler "DOE", når det ses fra forskellige vinkler. De tog et billede af objektet med deres spejlkuppel og viste, at de faktisk kunne samle lys fra en række forskellige vinkler og holde alle billederne i fokus. Desuden var deres 3D-rekonstruktion så nøjagtig, at den afslørede en lille fejl i fremstillingen af ​​"DOE"-objektet - en arm på "E", der var bøjet lidt nedad.

Det næste skridt, sagde forskerne, er at bygge en ny version for at teste ideen i et mindre atominterferometer i Stanford, som ville producere de første 3D-billeder af atomskyer. Denne version af spejlkuppelen ville sidde uden for kammeret, der indeholder atomskyen, så hvis disse tests lykkes, ville holdet bygge en version af rustfrit stål af spejlstilladset, der passer til vakuumforholdene inde i et atominterferometer.

Schwartzman sagde, at ideerne Cheong, Safdari og resten af ​​holdet udviklede kunne være nyttige ud over fysikeksperimenter. "Det er en ny enhed. Vores applikation er atominterferometri, men den kan være nyttig i andre applikationer," sagde han, såsom kvalitetskontrol til fremstilling af små genstande i industrien. + Udforsk yderligere

Forskere udvikler miniaturelinse til at fange atomer