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研究人员设计出迄今为止最精确的秒表之一

2021-08-30 14:43:20    来源:cnBeta

科罗拉多大学博尔德分校的研究人员设计出了迄今为止最精确的秒表之一--不是用于为奥运短跑运动员和游泳运动员计时,而是用于计算单个光子,或构成光的微小能量。 该小组的发明可能会带来一系列成像技术的重大改进--从绘制整个森林和山脉的传感器到可以诊断人类疾病(如阿尔茨海默氏症和癌症)的更详细的设备。该小组本周在《Optica》杂志上发表了其成果。

这项新研究的主要作者Bowen Li说,研究的重点是一种被广泛运用的技术,即时间相关单光子计数(TCSPC)。它的工作原理有点像你在奥运会上看到的计时器。科学家们首先用激光照射他们选择的样品,从单个蛋白质一直到大规模的地质构造,然后记录反弹回来的光子。研究人员收集的光子越多,他们对该物体的了解就越多。

"TCSPC给你提供了光子的总数。它也为每个光子击中你的探测器计时,"科罗拉多大学博尔德分校电气、计算机和能源工程系(ECEE)的博士后研究员Li说。"它像一个秒表一样工作。"

一条城市街道的激光雷达图像

现在,这个秒表已经变得比以前更好了。Li和他的同事使用一种被称为"时间透镜"的超快光学工具,表明他们可以测量光子的到达,其精度比现有工具好100多倍。

这项新研究的通讯作者Huang Shuwei补充说,该小组的量子时间透镜甚至可以与市场上最便宜的TCSPC设备一起使用。Huang说:"我们可以在几乎所有的TCSPC系统中加入这种修改,以提高其单光子计时分辨率。

这项研究是由科罗拉多大学博尔德分校领导的新近启动的价值2500万美元的通过纠缠科学和工程的量子系统(Q-EnSE)中心的一部分。

TCSPC可能不是一个家喻户晓的名字。但这项在1960年首次开发的技术,已经彻底改变了人类看世界的方式。这些光子计数器是激光雷达(或光探测和测距)传感器的重要组成部分,研究人员用它来制作地质图。它们也出现在一种更小规模的成像方法中,称为荧光寿命显微镜。医生们采用这种技术来诊断一些疾病,如黄斑变性、阿尔茨海默氏病和癌症。在样本上照射一个光脉冲,然后测量它需要多长时间来发射一个光子。这个时间可以反映材料的属性,例如细胞的新陈代谢。

然而,传统的TCSPC工具只能测量到一定精度的时间。如果两个光子到达你的设备时距离太近--例如,相隔100万亿分之一秒或更短--探测器会将它们记录为一个光子。这有点像两个短跑运动员在百米冲刺过程中拍照完成。这种微小的不一致可能听起来像一个争论,但当试图详细了解令人难以置信的小分子时,它们会产生很大的差异。

Li和他的同事们决定尝试用科学家所说的"时间透镜"来解决这个问题。

"在显微镜中,我们使用光学透镜将一个小物体放大成一个大图像,"李说。"我们的时间透镜以类似的方式工作,但这是对时间而言的。"

为了理解这种时间扭曲是如何工作的,可以把两个光子想象成两个并肩作战的选手--如此接近,以至于奥运会的计时员都无法将他们区分开来。李和他的同事将这两个光子通过他们的时间透镜,该透镜是由硅纤维环组成的。在这个过程中,其中一个光子变慢了,而另一个光子变快了。与其说是一场激烈的比赛,现在选手之间有一个很大的差距,一个探测器可以记录。两个光子之间的分离将被放大。而且,该团队发现,这一策略是有效的。内置时间透镜的TCSPC设备可以区分到达检测器的光子,这些光子的间隙为几十万亿分之一秒。这比普通设备所能达到的效果要好几个数量级。

研究人员在时间透镜成为科学实验室的常见设备之前仍有一些工作要做。但他们希望,他们的工具有一天将允许人类查看物体,从非常小的物体到非常大的物体,都能达到以前不可能达到的清晰程度。

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