Măsurarea obiectelor pe care nu le puteți vedea

Când lumina este deviată de o structură dezordonată, devine dificil de estimat unde se află ținta. Credit: TU Wien

Cum măsurați obiecte care nu pot fi văzute în circumstanțe normale? Universitatea Utrecht și TU Wien (Viena) deschid noi posibilități cu unde de lumină speciale.

Razele laser pot fi utilizate pentru a măsura cu precizie poziția sau viteza unui obiect. În mod normal, totuși, este necesară o vedere clară și neobstrucționată a acestui obiect, iar această condiție prealabilă nu este întotdeauna îndeplinită. În biomedicină, de exemplu, sunt examinate structurile care sunt încorporate într-un mediu neregulat și complicat. Acolo, fasciculul laser este deviat, dispersat și refractat, ceea ce face imposibilă obținerea de date utile de măsurare.

Cu toate acestea, Universitatea Utrecht (Olanda) și TU Wien (Viena, Austria) au reușit acum să demonstreze că se pot obține rezultate semnificative chiar și în medii atât de complicate. De fapt, există o modalitate de a modifica în mod specific fasciculul laser pentru a furniza exact informațiile dorite într-un mediu complex și dezordonat, și nu doar aproximativ, ci în mod optim fizic: natura nu permite mai multă precizie cu o lumină laser coerentă. . Noua tehnologie poate fi utilizată în domenii de aplicare foarte diferite, chiar și cu diferite tipuri de unde, și a fost prezentată acum în revista științifică Fizica naturii.

Aspiratorul și fereastra băii

„Vrem mereu să obținem cea mai bună măsurare posibilă precizie – acesta este un element central al tuturor științelor naturii “, spune Stefan Rotter de la TU Wien.” Ne gândim, de exemplu, la enormul LIGO instalare, care este utilizată pentru a detecta valuri gravitationale: Acolo, trimiteți fascicule laser către o oglindă și modificările distanței dintre laser și oglindă sunt măsurate cu o precizie extremă. ”Acest lucru funcționează atât de bine, deoarece fasciculul laser este trimis printr-un vid ultra ridicat. Orice perturbare, indiferent de importanță cât de mic, trebuie evitat.

Dar ce poți face când ai probleme care nu pot fi eliminate? „Să ne imaginăm un panou de sticlă care nu este perfect transparent, dar aspru și nepolit ca o fereastră de baie”, spune Allard Mosk de la Universitatea Utrecht. „Lumina poate trece, dar nu în linie dreaptă. Undele luminoase sunt alterate și împrăștiate, astfel încât nu putem vedea cu exactitate un obiect de cealaltă parte a ferestrei cu ochiul liber. Situația este destul de similară atunci când doriți să examinați obiecte minuscule din țesutul biologic: mediul dezordonat deranjează fasciculul de lumină. Fascicul laser simplu și regulat devine un model de undă complicat care se abate în toate direcțiile.

Unda optimă

Cu toate acestea, dacă știți exact ce face mediul deranjant cu fasciculul de lumină, puteți inversa situația: atunci este posibil să creați un model de undă complicat în locul fasciculului laser simplu și drept, care este transformat exact în forma dorită. datorită tulburărilor și loviturilor chiar acolo unde puteți obține cel mai bun rezultat. „Pentru a realiza acest lucru, nici măcar nu trebuie să știți exact care sunt perturbările”, explică Dorian Bouchet, primul autor al studiului. “Este suficient să trimiteți mai întâi un set de unde de testare prin sistem pentru a studia modul în care sistemul se schimbă.”

Oamenii de știință implicați în această lucrare au dezvoltat împreună o procedură matematică care poate fi apoi utilizată pentru a calcula unda optimă din aceste date de testare: „Puteți arăta că pentru diferite măsurători există anumite unde care oferă un maximum de informații, cum ar fi coordonatele spațiale ale un obiect dat. “

Luați, de exemplu, un obiect ascuns în spatele unui pahar tulbure: există o undă luminoasă optimă care poate fi utilizată pentru a obține cantitatea maximă de informații despre dacă obiectul s-a deplasat ușor spre dreapta sau puțin spre stânga. Această undă pare complicată și dezordonată, dar este modificată de panoul tulbure astfel încât să ajungă la obiect exact așa cum se dorește și să returneze cât mai multe informații posibil aparatului de măsurare experimental.

Experimente cu laser în Utrecht

Faptul că metoda funcționează de fapt a fost confirmat experimental la Universitatea Utrecht: fasciculele laser au fost direcționate printr-un mediu dezordonat sub forma unei plăci tulburi. Comportamentul de împrăștiere a mediului a fost astfel caracterizat și undele optime au fost calculate pentru a analiza un obiect dincolo de placă, iar acest lucru a avut succes, cu o precizie în domeniul nanometrilor.

Echipa a efectuat apoi măsurători suplimentare pentru a testa limitele noii lor metode: numărul de fotoni din fasciculul laser a fost redus semnificativ pentru a vedea dacă se poate obține un rezultat semnificativ. În acest fel, au reușit să arate că metoda nu numai că funcționează, dar este chiar optimă în sens fizic: „Vedem că acuratețea metodei noastre este limitată doar de așa-numitul zgomot cuantic”, explică Allard Mosk. „Acest zgomot se datorează faptului că lumina constă din fotoni; nu se poate face nimic în legătură cu aceasta. Dar în limitele a ceea ce ne permite fizica cuantică pentru un fascicul laser coerent, putem calcula undele optime pentru a măsura diferite lucruri. Nu doar poziția, ci și mișcarea sau sensul de rotație al obiectelor ”.

Aceste rezultate au fost obținute în contextul unui program pentru imagistica la scară nanomatică a structurilor semiconductoare, în care universitățile colaborează cu industria. De fapt, posibilele domenii de aplicare a acestei noi tehnologii includ microbiologia, dar și producția de cipuri de calculator, unde sunt indispensabile măsurători extrem de precise.

Referință: „Stări maxime de informații pentru măsuri de dispersie coerente” de Dorian Bouchet, Stefan Rotter și Allard P. Mosk, 21 ianuarie 2021, Fizica naturii.
DOI: 10.1038 / s41567-020-01137-4

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.