Forskare vid University of Colorado Boulder har designat ett av de mest exakta stoppuret hittills – inte för att tajma olympiska sprinters och simmare, men för att räkna enstaka fotoner, eller de små energipaketen som utgör ljus.

Teamets uppfinning kan leda till stora förbättringar inom en rad bildtekniker – från sensorer som kartlägger hela skogar och bergskedjor till mer detaljerade enheter som kan diagnostisera mänskliga sjukdomar som Alzheimers och cancer. Gruppen publicerade sina resultat denna vecka i tidskriften Optica .

Bowen Li, huvudförfattare till den nya studien, sa att forskningen fokuserar på en allmänt tillämpad teknik som kallas tidskorrelerad enkelfotonräkning (TCSPC). Det fungerar lite som timern du ser vid OS:Forskare lyser först med ett laserljus på ett prov som de väljer, från enskilda proteiner hela vägen upp till en massiv geologisk formation, registrera sedan fotonerna som studsar tillbaka till dem. Ju fler fotoner forskare samlar in, desto mer kan de lära sig om det objektet.

"TCSPC ger dig det totala antalet fotoner. Det tillfällen när varje foton träffar din detektor, sa Li, en postdoktor vid institutionen för elektriska, Data- och energiteknik (ECEE) på CU Boulder. "Det fungerar som ett stoppur."

Nu, det stoppuret har blivit bättre än någonsin. Med hjälp av ett ultrasnabbt optikverktyg som kallas "tidslins, "Li och hans kollegor visar att de kan mäta ankomsten av fotoner med en precision som är mer än 100 gånger bättre än befintliga verktyg.

Shu-Wei Huang, motsvarande författare till den nya studien, tillade att gruppens kvanttidslins fungerar med även de billigaste TCSPC-enheterna som finns på marknaden.

"Vi kan lägga till den här modifieringen till nästan alla TCSPC-system för att förbättra sin timingupplösning för en foton, sa Huang, biträdande professor i ECEE.

Forskningen är en del av den nylanserade, $25 miljoner Quantum Systems genom Entangled Science and Engineering (Q-SEnSE) center ledd av CU Boulder.

målfoto

TCSPC kanske inte är ett hushållsnamn, sa Huang. Men tekniken, som först utvecklades 1960, har revolutionerat hur människor ser på världen. Dessa fotonräknare är viktiga komponenter i lidar-sensorer (eller ljusdetektion och avståndsavstånd), som forskare använder för att skapa geologiska kartor. De dyker också upp i en mer småskalig avbildningsmetod som kallas fluorescenslivstidsmikroskopi. Läkare använder tekniken för att diagnostisera vissa sjukdomar som makuladegeneration, Alzheimers sjukdom och cancer.

"Människor lyser en puls av ljus på sitt prov och mäter sedan hur lång tid det tar att sända ut en foton, " sa Li. "Den timingen säger dig materialets egenskaper, såsom metabolismen av en cell."

Traditionella TCSPC-verktyg, dock, kan bara mäta den timingen ner till en viss precisionsnivå:Om två fotoner kommer till din enhet för nära varandra – säg, 100 biljondelar av en sekund eller mindre från varandra – detektorn registrerar dem som en enda foton. Det är lite som att två sprinters kommer till en fotofinish under en 100-meterspass.

Sådana små inkonsekvenser kan låta som en käbbla, men Li noterade att de kan göra stor skillnad när de försöker få en detaljerad titt på otroligt små molekyler.

Tidslinser

Så han och hans kollegor bestämde sig för att försöka lösa problemet med hjälp av vad forskare kallar en "tidslins".

"I ett mikroskop, vi använder optiska linser för att förstora ett litet objekt till en stor bild, " Sa Li. "Vår tidslins fungerar på ett liknande sätt men för tid."

För att förstå hur den tidsförvrängningen fungerar, föreställ dig två fotoner som två löpare som tävlar hals och hals – så nära att OS-tidtagaren inte kan skilja dem åt. Li och hans kollegor skickar båda dessa fotoner genom sin tidslins, som består av öglor av kiselfibrer. I processen, en av fotonerna saktar ner, medan den andra sätter fart. Istället för ett tätt lopp, det är nu ett stort gap mellan löparna, en som en detektor kan registrera.

"Separationen mellan de två fotonerna kommer att förstoras, " sa Li.

Och, teamet upptäckte, strategin fungerar:TCSPC-enheter med inbyggda tidslinser kan skilja mellan fotoner som kommer till en detektor med ett gap på flera hundra kvadrilliondelar av en sekund – storleksordningar bättre än vad vanliga enheter kan uppnå.

Forskarna har fortfarande en del att göra innan tidslinser blir vanliga i vetenskapliga laboratorier. Men de hoppas att deras verktyg en dag kommer att tillåta människor att se föremål, från det mycket lilla till det mycket stora — allt med en tydlighet som tidigare var omöjlig.