Pesquisadores da University of Colorado Boulder projetaram um dos cronômetros mais precisos até agora - não para cronometrar velocistas olímpicos e nadadores, mas para contar fótons individuais, ou os minúsculos pacotes de energia que constituem a luz.

A invenção da equipe pode levar a grandes melhorias em uma série de tecnologias de imagem - de sensores que mapeiam florestas e cadeias de montanhas inteiras a dispositivos mais detalhados que podem diagnosticar doenças humanas como Alzheimer e câncer. O grupo publicou seus resultados esta semana na revista Optica .

Bowen Li, autor principal do novo estudo, disse que a pesquisa se concentra em uma tecnologia amplamente aplicada chamada contagem de fóton único correlacionada com o tempo (TCSPC). Funciona um pouco como os cronômetros que você vê nas Olimpíadas:os cientistas primeiro apontam uma luz laser para uma amostra de sua escolha, de proteínas individuais até uma formação geológica massiva, em seguida, registre os fótons que voltam para eles. Quanto mais fótons os pesquisadores coletam, mais eles podem aprender sobre esse objeto.

"O TCSPC fornece o número total de fótons. Também indica quando cada fóton atinge seu detector, "disse Li, um pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Elétrica, Engenharia Informática e Energética (ECEE) na CU Boulder. "Funciona como um cronômetro."

Agora, esse cronômetro está melhor do que nunca. Usando uma ferramenta ótica ultrarrápida chamada "lente do tempo, "Li e seus colegas mostram que podem medir a chegada de fótons com uma precisão mais de 100 vezes melhor do que as ferramentas existentes.

Shu-Wei Huang, autor correspondente do novo estudo, acrescentou que a lente de tempo quântico do grupo funciona até mesmo com os dispositivos TCSPC mais baratos disponíveis no mercado.

"Podemos adicionar esta modificação a quase qualquer sistema TCSPC para melhorar a sua resolução de temporização de fóton único, "disse Huang, professora assistente da ECEE.

A pesquisa faz parte do recém-lançado, Sistemas Quantum de $ 25 milhões por meio do centro Entangled Science and Engineering (Q-SEnSE) liderado por CU Boulder.

Acabamento fotográfico

TCSPC pode não ser um nome familiar, Huang disse. Mas a tecnologia, que foi desenvolvido pela primeira vez em 1960, revolucionou a forma como os humanos veem o mundo. Esses contadores de fótons são componentes importantes de sensores lidar (ou detecção e alcance de luz), que os pesquisadores usam para criar mapas geológicos. Eles também aparecem em uma abordagem de imagem em menor escala chamada microscopia de fluorescência. Os médicos empregam a técnica para diagnosticar algumas doenças como degeneração macular, Doença de Alzheimer e câncer.

"As pessoas emitem um pulso de luz em sua amostra e medem quanto tempo leva para emitir um fóton, "Li disse." Esse momento indica a propriedade do material, como o metabolismo de uma célula. "

Ferramentas TCSPC tradicionais, Contudo, só pode medir esse tempo até um certo nível de precisão:se dois fótons chegarem ao seu dispositivo muito próximos, digamos, Com um intervalo de 100 trilionésimos de segundo ou menos - o detector os registra como um único fóton. É um pouco como dois velocistas chegando a uma finalização fotográfica durante uma corrida de 100 metros.

Essas pequenas inconsistências podem soar como um trocadilho, mas Li observou que eles podem fazer uma grande diferença ao tentar obter uma visão detalhada de moléculas incrivelmente pequenas.

Lentes de tempo

Então, ele e seus colegas decidiram tentar resolver o problema usando o que os cientistas chamam de "lente do tempo".

"Em um microscópio, usamos lentes ópticas para ampliar um pequeno objeto em uma grande imagem, "Disse Li." Nossa lente do tempo funciona de maneira semelhante, mas para o tempo. "

Para entender como funciona a distorção do tempo, imagine dois fótons como dois corredores correndo pescoço a pescoço - tão próximos que o cronometrista das Olimpíadas não consegue distingui-los. Li e seus colegas passam esses dois fótons através de suas lentes do tempo, que é feito de voltas de fibras de sílica. No processo, um dos fótons desacelera, enquanto o outro acelera. Em vez de uma disputa acirrada, agora existe uma grande lacuna entre os corredores, um que um detector pode registrar.

"A separação entre os dois fótons será ampliada, "Li disse.

E, a equipe descobriu, a estratégia funciona:dispositivos TCSPC com lentes de tempo embutidas podem distinguir entre fótons que chegam a um detector com um intervalo de várias centenas de quatrilionésimos de segundo - ordens de magnitude melhor do que os dispositivos normais podem alcançar.

Os pesquisadores ainda têm algum trabalho a fazer antes que as lentes temporais se tornem comuns em laboratórios científicos. Mas eles esperam que sua ferramenta um dia permita que os humanos vejam objetos, do muito pequeno ao muito grande - tudo com uma clareza que antes era impossível.