Nuevo ‘cronómetro’ cuántico puede mejorar las tecnologías de imagen

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Investigadores de CU Boulder han diseñado uno de los cronómetros más precisos hasta ahora, no para cronometrar a los velocistas y nadadores olímpicos, sino para contar fotones individuales o los pequeños paquetes de energía que componen la luz.

La invención del equipo podría conducir a grandes mejoras en una variedad de tecnologías de imágenes, desde sensores que mapean bosques enteros y cadenas montañosas hasta dispositivos más detallados que pueden diagnosticar enfermedades humanas como el Alzheimer y el cáncer.

Bowen Li, autor principal del nuevo estudio, dijo que la investigación se centra en una tecnología ampliamente aplicada llamada recuento de fotones individuales correlacionados en el tiempo (TCSPC).

Funciona un poco como los temporizadores que se ven en los Juegos Olímpicos:

Los científicos primero iluminan con una luz láser una muestra de su elección, desde proteínas individuales hasta una formación geológica masiva, luego registran los fotones que rebotan hacia ellas.

Cuantos más fotones recopilen los investigadores, más podrán aprender sobre ese objeto.

“TCSPC te da el número total de fotones.

También el momento en que cada fotón golpea su detector ”, dijo Li, investigador postdoctoral en el Departamento de Ingeniería Eléctrica, Informática y Energética (ECEE) en CU Boulder.

“Funciona como un cronómetro“.

Ahora, ese cronómetro ha mejorado más que nunca.

Usando una herramienta de óptica ultrarrápida llamada “lente de tiempo“, Li y sus colegas demuestran que pueden medir la llegada de fotones con una precisión que es más de 100 veces mejor que las herramientas existentes.

Shu-Wei Huang, autor correspondiente del nuevo estudio, agregó que la lente de tiempo cuántico del grupo funciona incluso con los dispositivos TCSPC más baratos disponibles en el mercado.

“Podemos agregar esta modificación a casi cualquier sistema TCSPC para mejorar su resolución de tiempo de fotón único“, dijo Huang, profesor asistente de ECEE.

TCSPC puede no ser un nombre familiar, dijo Huang.

Pero la tecnología, que se desarrolló por primera vez en 1960, ha revolucionado la forma en que los humanos ven el mundo.

Estos contadores de fotones son componentes importantes de los sensores Lidar (o detección de luz y rango), que los investigadores utilizan para crear mapas geológicos.

También aparecen en un enfoque de imágenes más a pequeña escala llamado microscopía de vida útil de fluorescencia.

Los médicos emplean la técnica para diagnosticar algunas enfermedades como la degeneración macular, la enfermedad de Alzheimer y el cáncer.

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“La gente proyecta un pulso de luz sobre su muestra y luego mide cuánto tiempo se tarda en emitir un fotón“, dijo Li.

“Ese tiempo le dice la propiedad del material, como el metabolismo de una célula“.

Sin embargo, las herramientas tradicionales de TCSPC solo pueden medir ese tiempo hasta un cierto nivel de precisión: si dos fotones llegan a su dispositivo demasiado cerca, digamos, 100 billonésimas de segundo o menos, el detector los registra como un solo fotón.

Es un poco como dos velocistas llegando a un final fotográfico durante una carrera de 100 metros.

Estas pequeñas inconsistencias pueden parecer una objeción, pero Li señaló que pueden marcar una gran diferencia cuando se trata de obtener una visión detallada de moléculas increíblemente pequeñas.

Él y sus colegas decidieron intentar resolver el problema utilizando lo que los científicos llaman una “lente del tiempo“.

“En un microscopio, utilizamos lentes ópticos para ampliar un objeto pequeño en una imagen grande“, dijo Li.

“Nuestra lente del tiempo funciona de manera similar, pero para el tiempo“.

Para entender cómo funciona esa distorsión del tiempo, imagine dos fotones como dos corredores que corren codo a codo, tan cerca que el cronometrador de los Juegos Olímpicos no puede distinguirlos.

Li y sus colegas pasan ambos fotones a través de su lente de tiempo, que está formada por bucles de fibras de sílice.

En el proceso, uno de los fotones se ralentiza, mientras que el otro se acelera.

En lugar de una carrera cerrada, ahora hay una gran brecha entre los corredores, una que un detector puede registrar.

“La separación entre los dos fotones se ampliará“, dijo Li.

Y, según descubrió el equipo, la estrategia funciona: los dispositivos TCSPC con lentes de tiempo incorporados pueden distinguir entre los fotones que llegan a un detector con una brecha de varios cientos de billonésimas de segundo.

Eso es órdenes de magnitud mejor que lo que pueden lograr los dispositivos normales.

Los investigadores aún tienen trabajo por hacer antes de que las lentes se vuelvan comunes en los laboratorios científicos.

Pero esperan que su herramienta algún día permita a los humanos ver objetos, desde los muy pequeños hasta los muy grandes, todo con una claridad que antes era imposible.

Fuente: Optica