Onderzoekers van de University of Colorado Boulder hebben een van de meest nauwkeurige stopwatches ooit ontworpen - niet voor het timen van Olympische sprinters en zwemmers, maar voor het tellen van enkele fotonen, of de kleine pakketjes energie waaruit licht bestaat.

De uitvinding van het team zou kunnen leiden tot grote verbeteringen in een reeks beeldvormingstechnologieën - van sensoren die hele bossen en bergketens in kaart brengen tot meer gedetailleerde apparaten die menselijke ziekten zoals Alzheimer en kanker kunnen diagnosticeren. De groep publiceerde zijn resultaten deze week in het tijdschrift optiek .

Bowen Li, hoofdauteur van de nieuwe studie, zei dat het onderzoek zich richt op een veel toegepaste technologie genaamd time-correlated single photon counting (TCSPC). Het werkt een beetje zoals de timers die je op de Olympische Spelen ziet:wetenschappers schijnen eerst een laserlicht op een monster naar keuze, van individuele eiwitten tot een enorme geologische formatie, registreer vervolgens de fotonen die naar hen terugkaatsen. Hoe meer fotonen onderzoekers verzamelen, hoe meer ze over dat object kunnen leren.

"TCSPC geeft je het totale aantal fotonen. Ook de tijden waarop elk foton je detector raakt, " zei Li, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Electrical, Computer- en energietechniek (ECEE) bij CU Boulder. "Het werkt als een stopwatch."

Nutsvoorzieningen, die stopwatch is beter dan ooit geworden. Met behulp van een ultrasnelle optische tool genaamd een "tijdlens, " Li en zijn collega's laten zien dat ze de aankomst van fotonen kunnen meten met een precisie die meer dan 100 keer beter is dan bestaande tools.

Shu Wei Huang, corresponderende auteur van de nieuwe studie, voegde eraan toe dat de kwantumtijdlens van de groep werkt met zelfs de goedkoopste TCSPC-apparaten die op de markt verkrijgbaar zijn.

"We kunnen deze wijziging aan bijna elk TCSPC-systeem toevoegen om de timingresolutie voor één foton te verbeteren, " zei Huang, assistent-professor ECEE.

Het onderzoek maakt deel uit van het nieuw gelanceerde, $ 25 miljoen Quantum Systems via Entangled Science and Engineering (Q-SEnSE) centrum onder leiding van CU Boulder.

fotofinish

TCSPC is misschien geen begrip, zei Huang. Maar de technologie, die voor het eerst werd ontwikkeld in 1960, heeft een revolutie teweeggebracht in hoe mensen de wereld zien. Deze fotonentellers zijn belangrijke componenten van lidar-sensoren (of lichtdetectie en -bereik), die onderzoekers gebruiken om geologische kaarten te maken. Ze verschijnen ook in een meer kleinschalige beeldvormingsbenadering die fluorescentie-levensduurmicroscopie wordt genoemd. Artsen gebruiken de techniek om bepaalde ziekten te diagnosticeren, zoals maculaire degeneratie, Alzheimer en kanker.

"Mensen schijnen een lichtpuls op hun monster en meten dan hoe lang het duurt om een ​​foton uit te zenden, " zei Li. "Die timing vertelt je de eigenschap van het materiaal, zoals het metabolisme van een cel."

Traditionele TCSPC-tools, echter, kan die timing alleen meten tot op een bepaald niveau van precisie:als twee fotonen te dicht bij uw apparaat aankomen, zeg, 100 biljoenste van een seconde of minder uit elkaar - de detector registreert ze als een enkel foton. Het is een beetje zoals twee sprinters die naar een fotofinish komen tijdens een sprint van 100 meter.

Zulke kleine inconsistenties klinken misschien als een gezeur, maar Li merkte op dat ze een groot verschil kunnen maken bij het gedetailleerd bekijken van ongelooflijk kleine moleculen.

Tijdlenzen

Dus besloten hij en zijn collega's om te proberen het probleem op te lossen met behulp van wat wetenschappers een 'tijdlens' noemen.

"In een microscoop, we gebruiken optische lenzen om een ​​klein object te vergroten tot een groot beeld, ' zei Li. 'Onze tijdlens werkt op een vergelijkbare manier, maar dan voor tijd.'

Om te begrijpen hoe die tijdvervorming werkt, stel je twee fotonen voor als twee hardlopers die nek-aan-nek racen - zo dichtbij dat de tijdwaarnemer van de Olympische Spelen ze niet uit elkaar kan houden. Li en zijn collega's laten beide fotonen door hun tijdlens gaan, die bestaat uit lussen van silicavezels. In het proces, een van de fotonen vertraagt, terwijl de ander versnelt. In plaats van een hechte race, er is nu een groot gat tussen de lopers, een die een detector kan opnemen.

"De scheiding tussen de twee fotonen zal worden vergroot, ' zei Li.

En, het team ontdekte, de strategie werkt:TCSPC-apparaten met ingebouwde tijdlenzen kunnen onderscheid maken tussen fotonen die bij een detector aankomen met een tussenruimte van enkele honderden quadriljoensten van een seconde - ordes van grootte beter dan wat normale apparaten kunnen bereiken.

De onderzoekers hebben nog wat werk te doen voordat tijdlenzen gemeengoed worden in wetenschappelijke laboratoria. Maar ze hopen dat hun gereedschap op een dag mensen in staat zal stellen objecten te bekijken, van heel klein tot heel groot - allemaal met een helderheid die voorheen onmogelijk was.