Wanneer het online gaat, zullen het MAGIS-100-experiment in het Fermi National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en zijn opvolgers de aard van zwaartekrachtsgolven onderzoeken en naar bepaalde soorten golfachtige donkere materie zoeken. Maar eerst moeten onderzoekers iets heel basaals bedenken:hoe ze goede foto's kunnen maken van de wolken van atomen in het hart van hun experiment.

Onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy realiseerden zich dat deze taak misschien wel de ultieme oefening zou zijn in fotografie bij ultra weinig licht.

Maar een SLAC-team met onder meer Stanford-studenten Sanha Cheong en Murtaza Safdari, SLAC-professor Ariel Schwartzman en SLAC-wetenschappers Michael Kagan, Sean Gasiorowski, Maxime Vandegar en Joseph Frish vond een eenvoudige manier om het te doen:spiegels. Door spiegels in een koepelachtige configuratie rond een object te plaatsen, kunnen ze meer licht naar de camera reflecteren en meerdere kanten van een object tegelijk in beeld brengen.

En, meldt het team in het Journal of Instrumentation , is er een bijkomend voordeel. Omdat de camera nu beelden van een object vanuit veel verschillende hoeken verzamelt, is het systeem een ​​voorbeeld van "light-field imaging", dat niet alleen de intensiteit van het licht vastlegt, maar ook in welke richting lichtstralen reizen. Als gevolg hiervan kan het spiegelsysteem onderzoekers helpen een driedimensionaal model van een object te bouwen, zoals een atoomwolk.

"We bevorderen de beeldvorming in experimenten zoals MAGIS-100 naar het nieuwste beeldvormingsparadigma met dit systeem", zei Safdari.

Een ongewone fotografische uitdaging

De 100 meter lange Matter-wave Atomic Gradiometer Interferometric Sensor, of MAGIS-100, is een nieuw soort experiment dat wordt geïnstalleerd in een verticale schacht in het Fermi National Accelerator Laboratory van DOE. Het staat bekend als een atoominterferometer en zal kwantumverschijnselen benutten om passerende golven van ultralichte donkere materie en vrij vallende strontiumatomen te detecteren.

Onderzoekers zullen wolken strontiumatomen loslaten in een vacuümbuis die over de hele lengte van de schacht loopt, en vervolgens laserlicht laten schijnen op de vrij vallende wolken. Elk strontiumatoom werkt als een golf, en het laserlicht stuurt elk van deze atoomgolven in een superpositie van kwantumtoestanden, waarvan er een op zijn oorspronkelijke pad blijft terwijl de andere veel hoger wordt geschopt.

Wanneer ze opnieuw worden gecombineerd, creëren de golven een interferentiepatroon in strontiumatoomgolven, vergelijkbaar met het complexe patroon van rimpelingen dat ontstaat na het overslaan van een rots in een vijver. Dit interferentiepatroon is gevoelig voor alles wat de relatieve afstand tussen de paren kwantumgolven of de interne eigenschappen van de atomen verandert, wat kan worden beïnvloed door de aanwezigheid van donkere materie.

Om de interferentiepatronen te zien, zullen onderzoekers letterlijk foto's maken van een wolk strontiumatomen, wat gepaard gaat met een aantal uitdagingen. De strontiumwolken zelf zijn klein, slechts ongeveer een millimeter breed, en de details die onderzoekers moeten zien, zijn ongeveer een tiende van een millimeter breed. De camera zelf moet buiten een kamer zitten en over een relatief lange afstand door een raam kijken om de strontiumwolken binnenin te zien.

Maar het echte probleem is licht. Om de strontiumwolken te verlichten, zullen onderzoekers lasers op de wolken schijnen. Als het laserlicht echter te intens is, kan het de details vernietigen die wetenschappers willen zien. Als het niet intens genoeg is, zal het licht van de wolken te zwak zijn voor de camera's om te zien.

"Je gaat maar zoveel licht opvangen als er op de lens valt," zei Safdari, "wat niet veel is."

Spiegels te hulp

Een idee is om een ​​groot diafragma of een opening te gebruiken om meer licht in de camera te laten, maar er is een compromis:een groot diafragma creëert wat fotografen een kleine scherptediepte noemen, waarbij slechts een smal deel van de foto scherp is.

Een andere mogelijkheid zou zijn om meer camera's rond een wolk strontiumatomen te plaatsen. Dit zou meer van het uitgestraalde licht kunnen opvangen, maar er zijn meer ramen nodig of, als alternatief, de camera's in de kamer, en er is niet veel ruimte voor een heleboel camera's.

De oplossing dook op, zei Schwartzman, tijdens een brainstormsessie in het lab. Terwijl ze ideeën rondstuitten, kwam stafwetenschapper Joe Frisch op het idee van spiegels.

"Wat je kunt doen, is het licht dat van de wolk wegreist, terug in de cameralens reflecteren", zei Cheong. Als gevolg hiervan kan een camera niet alleen veel meer licht verzamelen, maar ook meer beelden van een object vanuit verschillende hoeken, die elk op de onbewerkte foto verschijnen als een afzonderlijke plek op een zwarte achtergrond. Die verzameling verschillende afbeeldingen, realiseerde het team zich, betekende dat ze een vorm van zogenaamde 'lichtveldbeeldvorming' hadden bedacht en mogelijk een driedimensionaal model van de atoomwolk konden reconstrueren, niet alleen een tweedimensionaal beeld.

3D-printen van een idee

Met steun van een Laboratory Directed Research and Development-beurs, namen Cheong en Safdari het spiegelidee en gingen ermee aan de slag, en ontwierpen een reeks kleine spiegels die licht van rondom een ​​atoomwolk terug naar een camera konden leiden. Met behulp van wat algebra- en raytracing-software ontwikkeld door Kagan en Vandegar, berekende het team precies de juiste posities en hoeken waardoor de spiegel veel verschillende beelden van de wolk scherp op de camera zou kunnen houden. Het team ontwikkelde ook computervisie en kunstmatige intelligentie-algoritmen om de 2D-beelden te gebruiken om 3D-reconstructie uit te voeren.

Het is iets dat achteraf misschien vanzelfsprekend lijkt, maar het heeft veel denkwerk gekost om het te bereiken, zei Schwartzman. "Toen we dit voor het eerst bedachten, dachten we:'Mensen moeten dit eerder hebben gedaan'", zei hij, maar in feite is het nieuw genoeg dat de groep een patent op het apparaat heeft aangevraagd.

Om het idee te testen, maakten Cheong en Safdari een mock-up met een 3D-geprinte steiger die de spiegels vasthield, en fabriceerden vervolgens een micro-3D-geprint fluorescerend object dat "DOE" beschrijft vanuit verschillende hoeken. Ze maakten een foto van het object met hun spiegelkoepel en toonden aan dat ze in feite licht vanuit verschillende hoeken konden verzamelen en alle beelden scherp konden houden. Bovendien was hun 3D-reconstructie zo nauwkeurig dat het een kleine fout aan het licht bracht in de fabricage van het "DOE" -object - een arm van de "E" die lichtjes naar beneden was gebogen.

De volgende stap, aldus de onderzoekers, is het bouwen van een nieuwe versie om het idee te testen in een kleinere atoominterferometer in Stanford, die de eerste 3D-beelden van atoomwolken zou produceren. Die versie van de spiegelkoepel zou buiten de kamer met de atoomwolk zitten, dus als die tests succesvol zijn, zou het team een ​​roestvrijstalen versie van de spiegelsteiger bouwen die geschikt is voor de vacuümomstandigheden in een atoominterferometer.

Schwartzman zei dat de ideeën die Cheong, Safdari en de rest van het team ontwikkelden, nuttig zouden kunnen zijn naast natuurkundige experimenten. "Het is een nieuw apparaat. Onze toepassing is atoominterferometrie, maar het kan nuttig zijn in andere toepassingen", zei hij, zoals kwaliteitscontrole voor de fabricage van kleine objecten in de industrie. + Verder verkennen

Onderzoekers ontwikkelen miniatuurlens voor het vangen van atomen