Новый квантовый секундомер может улучшить технологии визуализации

График, показывающий, как временная линза может различать два фотона, прибывающих в детектор близко друг к другу.

Изобретение команды может привести к значительным улучшениям в ряде технологий визуализации — от датчиков, отображающих целые леса и горные хребты, до более подробных устройств, которые могут диагностировать такие заболевания человека, как болезнь Альцгеймера и рак.

Боуэн Ли, ведущий автор нового исследования, сказал, что исследование сосредоточено на широко применяемой технологии, называемой коррелированным по времени подсчетом одиночных фотонов (TCSPC). Это немного похоже на таймеры, которые вы видите на Олимпийских играх: ученые сначала направляют лазерный луч на образец по своему выбору, от отдельных белков до массивного геологического образования, а затем записывают фотоны, которые отражаются от них. Чем больше фотонов соберут исследователи, тем больше они смогут узнать об этом объекте.

«TCSPC дает вам общее количество фотонов. Это также время, когда каждый фотон попадает в ваш детектор », — сказал Ли, научный сотрудник Департамента электротехники, вычислительной техники и энергетики (ECEE) в CU Boulder. «Он работает как секундомер».

Теперь этот секундомер стал лучше, чем когда-либо. Используя сверхбыстрый оптический инструмент, называемый «временной линзой», Ли и его коллеги показывают, что они могут измерять приход фотонов с точностью, более чем в 100 раз превосходящей существующие инструменты.

Шу-Вэй Хуанг, автор нового исследования, добавил, что квантовые линзы времени группы работают даже с самыми дешевыми устройствами TCSPC, доступными на рынке.

Лидарное изображение городской улицы. 

«Мы можем добавить эту модификацию практически к любой системе TCSPC, чтобы улучшить ее однофотонное временное разрешение», — сказал Хуанг, доцент ECEE.

Фото финиш

«TCSPC не может быть нарицательным, — сказал Хуан. Но технология, впервые разработанная в 1960 году, произвела революцию в восприятии мира людьми. Эти счетчики фотонов являются важными компонентами лидарных датчиков (или датчиков обнаружения и определения расстояния), которые исследователи используют для создания геологических карт. Они также проявляются в более мелкомасштабном подходе к визуализации, называемом микроскопией времени жизни флуоресценции. Врачи используют эту технику для диагностики некоторых заболеваний, таких как дегенерация желтого пятна, болезнь Альцгеймера и рак.

«Люди направляют на образец световой импульс, а затем измеряют, сколько времени требуется, чтобы испустить фотон», — сказал Ли. «Это время говорит вам о свойствах материала, таких как метаболизм клетки».

Однако традиционные инструменты TCSPC могут измерить это время только с определенным уровнем точности: если два фотона прибывают на ваше устройство слишком близко друг к другу, скажем, на расстоянии 100 триллионных долей секунды или меньше, детектор регистрирует их как один фотон. Это немного похоже на два спринтера, подходящих к фотофинишу во время 100-метрового забега.

Такие крошечные несоответствия могут звучать как придирка, но Ли отметил, что они могут иметь большое значение при попытке получить подробный взгляд на невероятно маленькие молекулы.

Линзы времени

Он и его коллеги решили попытаться решить проблему, используя то, что ученые называют «линзой времени».

«В микроскопе мы используем оптические линзы, чтобы увеличить небольшой объект до большого изображения», — сказал Ли. «Наша линза времени работает аналогичным образом, но только для времени».

Чтобы понять, как работает это искажение времени, представьте два фотона в виде двух бегунов, бегущих шея-шея — так близко, что хронометрист Олимпиады не может их различить. Ли и его коллеги пропускают оба этих фотона через свою временную линзу, которая состоит из петель кремнеземных волокон. При этом один из фотонов замедляется, а другой ускоряется. Вместо тесной гонки между бегунами теперь есть большой разрыв, который детектор может зафиксировать.

«Расстояние между двумя фотонами будет увеличиваться», — сказал Ли.

Команда обнаружила, что эта стратегия работает: устройства TCSPC со встроенными временными линзами могут различать фотоны, которые попадают в детектор с промежутком в несколько сотен квадриллионных долей секунды. Это на порядки лучше, чем у обычных устройств.

У исследователей еще есть над чем поработать, прежде чем временные линзы станут обычным явлением в научных лабораториях. Но они надеются, что их инструмент однажды позволит людям просматривать объекты, от очень маленьких до очень больших, и все это с четкостью, которая ранее была невозможна.