Quando estiver online, o experimento MAGIS-100 no Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi do Departamento de Energia e seus sucessores explorarão a natureza das ondas gravitacionais e procurarão certos tipos de matéria escura ondulatória. Mas primeiro, os pesquisadores precisam descobrir algo bem básico:como obter boas fotografias das nuvens de átomos no centro de seu experimento.
Pesquisadores do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia perceberam que essa tarefa seria talvez o exercício final em fotografia com luz ultrabaixa.

Mas uma equipe do SLAC que incluiu os estudantes de pós-graduação de Stanford Sanha Cheong e Murtaza Safdari, o professor do SLAC Ariel Schwartzman e os cientistas do SLAC Michael Kagan, Sean Gasiorowski, Maxime Vandegar e Joseph Frish encontraram uma maneira simples de fazer isso:espelhos. Ao organizar espelhos em uma configuração semelhante a uma cúpula em torno de um objeto, eles podem refletir mais luz em direção à câmera e criar imagens de vários lados de um objeto simultaneamente.

E a equipe relata no Journal of Instrumentation , há um benefício adicional. Como a câmera agora reúne visões de um objeto tiradas de muitos ângulos diferentes, o sistema é um exemplo de "imagem de campo de luz", que captura não apenas a intensidade da luz, mas também a direção em que os raios de luz viajam. Como resultado, o sistema de espelhos pode ajudar os pesquisadores a construir um modelo tridimensional de um objeto, como uma nuvem de átomos.

"Estamos avançando a imagem em experimentos como MAGIS-100 para o mais novo paradigma de imagem com este sistema", disse Safdari.

Um desafio fotográfico incomum

O sensor interferométrico de gradiômetro atômico de onda de matéria de 100 metros de comprimento, ou MAGIS-100, é um novo tipo de experimento que está sendo instalado em um eixo vertical no Fermi National Accelerator Laboratory do DOE. Conhecido como interferômetro de átomos, ele explorará fenômenos quânticos para detectar ondas de passagem de matéria escura ultraleve e átomos de estrôncio em queda livre.

Os experimentadores liberarão nuvens de átomos de estrôncio em um tubo de vácuo que percorre todo o comprimento do eixo e, em seguida, lançarão luz laser nas nuvens em queda livre. Cada átomo de estrôncio age como uma onda, e a luz do laser envia cada uma dessas ondas atômicas para uma superposição de estados quânticos, um dos quais continua em seu caminho original enquanto o outro é lançado muito mais alto.

Quando recombinadas, as ondas criam um padrão de interferência na onda do átomo de estrôncio, semelhante ao padrão complexo de ondulações que surge depois de pular uma pedra em um lago. Esse padrão de interferência é sensível a qualquer coisa que altere a distância relativa entre os pares de ondas quânticas ou as propriedades internas dos átomos, que podem ser influenciadas pela presença de matéria escura.

Para ver os padrões de interferência, os pesquisadores literalmente tiram fotos de uma nuvem de átomos de estrôncio, o que traz vários desafios. As próprias nuvens de estrôncio são pequenas, com apenas cerca de um milímetro de diâmetro, e os detalhes que os pesquisadores precisam ver têm cerca de um décimo de milímetro de diâmetro. A própria câmera deve ficar do lado de fora de uma câmara e espiar através de uma janela a uma distância relativamente longa para ver as nuvens de estrôncio dentro.

Mas o verdadeiro problema é a luz. Para iluminar as nuvens de estrôncio, os experimentadores lançarão lasers nas nuvens. No entanto, se a luz do laser for muito intensa, pode destruir os detalhes que os cientistas querem ver. Se não for intensa o suficiente, a luz das nuvens será muito fraca para as câmeras verem.

"Você só vai coletar a quantidade de luz que cai na lente", disse Safdari, "o que não é muito".

Espelhos para salvar

Uma ideia é usar uma abertura ampla, ou abertura, para deixar mais luz entrar na câmera, mas há uma desvantagem:uma abertura ampla cria o que os fotógrafos chamam de profundidade de campo estreita, onde apenas uma fatia estreita da imagem está em foco.

Outra possibilidade seria posicionar mais câmeras em torno de uma nuvem de átomos de estrôncio. Isso poderia reunir mais luz reemitida, mas exigiria mais janelas ou, alternativamente, encaixar as câmeras dentro da câmara, e não há muito espaço para um monte de câmeras.

A solução surgiu, disse Schwartzman, durante uma sessão de brainstorming no laboratório. Enquanto eles trocavam ideias, o cientista da equipe Joe Frisch surgiu com a ideia de espelhos.

"O que você pode fazer é refletir a luz que se afasta da nuvem de volta para a lente da câmera", disse Cheong. Como resultado, uma câmera pode coletar não apenas muito mais luz, mas também mais visualizações de um objeto de diferentes ângulos, cada um dos quais aparece na fotografia bruta como um ponto distinto em um fundo preto. Essa coleção de imagens distintas, a equipe percebeu, significava que eles criaram uma forma de "imagem de campo de luz" e poderiam reconstruir um modelo tridimensional da nuvem de átomos, não apenas uma imagem bidimensional.

Impressão 3D de uma ideia

Com o apoio de uma bolsa de Pesquisa e Desenvolvimento Direcionado por Laboratório, Cheong e Safdari pegaram a ideia do espelho e correram com ela, projetando uma série de pequenos espelhos que poderiam redirecionar a luz de toda uma nuvem de átomos de volta para uma câmera. Usando algum software de álgebra e rastreamento de raios desenvolvido por Kagan e Vandegar, a equipe calculou as posições e os ângulos certos que permitiriam ao espelho manter muitas imagens diferentes da nuvem em foco na câmera. A equipe também desenvolveu algoritmos de visão computacional e inteligência artificial para usar as imagens 2D para realizar a reconstrução 3D.

É o tipo de coisa que pode parecer óbvia em retrospecto, mas foi preciso pensar muito para conseguir, disse Schwartzman. "Quando pensamos nisso, pensamos:'As pessoas devem ter feito isso antes'", disse ele, mas na verdade é novidade o suficiente para que o grupo tenha solicitado uma patente para o dispositivo.

Para testar a ideia, Cheong e Safdari fizeram uma maquete com um andaime impresso em 3D segurando os espelhos, depois fabricaram um objeto fluorescente impresso em micro-3D que soletra "DOE" quando visto de diferentes ângulos. Eles tiraram uma foto do objeto com sua cúpula de espelho e mostraram que podiam, de fato, coletar luz de vários ângulos diferentes e manter todas as imagens em foco. Além disso, sua reconstrução 3D foi tão precisa que revelou uma pequena falha na fabricação do objeto "DOE" - um braço do "E" que estava ligeiramente dobrado para baixo.

O próximo passo, disseram os pesquisadores, é construir uma nova versão para testar a ideia em um interferômetro atômico menor em Stanford, que produziria as primeiras imagens 3D de nuvens de átomos. Essa versão da cúpula do espelho ficaria do lado de fora da câmara que contém a nuvem de átomos, portanto, se esses testes forem bem-sucedidos, a equipe construirá uma versão de aço inoxidável do andaime do espelho adequado para as condições de vácuo dentro de um interferômetro de átomos.

Schwartzman disse que as ideias que Cheong, Safdari e o resto da equipe desenvolveram podem ser úteis além dos experimentos físicos. "É um dispositivo novo. Nossa aplicação é a interferometria de átomos, mas pode ser útil em outras aplicações", disse ele, como controle de qualidade para fabricação de pequenos objetos na indústria. + Explorar mais

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