Des chercheurs de l'Université du Colorado à Boulder ont conçu l'un des chronomètres les plus précis à ce jour, pas pour chronométrer les sprinteurs et les nageurs olympiques, mais pour compter les photons uniques, ou les minuscules paquets d'énergie qui composent la lumière.

L'invention de l'équipe pourrait conduire à de grandes améliorations dans une gamme de technologies d'imagerie, des capteurs qui cartographient des forêts et des chaînes de montagnes entières à des appareils plus détaillés capables de diagnostiquer des maladies humaines comme la maladie d'Alzheimer et le cancer. Le groupe a publié ses résultats cette semaine dans la revue Optique .

Bowen Li, auteur principal de la nouvelle étude, a déclaré que la recherche se concentre sur une technologie largement appliquée appelée comptage de photons uniques corrélés dans le temps (TCSPC). Cela fonctionne un peu comme les minuteries que vous voyez aux Jeux olympiques :les scientifiques font d'abord briller une lumière laser sur un échantillon de leur choix, des protéines individuelles jusqu'à une formation géologique massive, puis enregistrez les photons qui leur reviennent. Plus les chercheurs collectent de photons, plus ils peuvent en apprendre davantage sur cet objet.

"TCSPC vous donne le nombre total de photons. Il indique également le moment où chaque photon frappe votre détecteur, " dit Li, chercheur postdoctoral au Département d'électricité, Génie informatique et énergétique (ECEE) à CU Boulder. « Cela fonctionne comme un chronomètre.

Maintenant, ce chronomètre est devenu meilleur que jamais. À l'aide d'un outil optique ultrarapide appelé « lentille temporelle », « Li et ses collègues montrent qu'ils peuvent mesurer l'arrivée de photons avec une précision plus de 100 fois supérieure aux outils existants.

Shu Wei Huang, auteur correspondant de la nouvelle étude, a ajouté que la lentille de temps quantique du groupe fonctionne même avec les appareils TCSPC les moins chers disponibles sur le marché.

"Nous pouvons ajouter cette modification à presque n'importe quel système TCSPC pour améliorer sa résolution de synchronisation à photon unique, " dit Huang, professeur assistant de l'ECEE.

La recherche fait partie du nouveau 25 millions de dollars Quantum Systems through Entangled Science and Engineering (Q-SEnSE) centre dirigé par CU Boulder.

Finition photo

TCSPC peut ne pas être un nom familier, dit Huang. Mais la technologie, qui a été développé pour la première fois en 1960, a révolutionné la façon dont les humains voient le monde. Ces compteurs de photons sont des composants importants des capteurs lidar (ou détection et télémétrie de la lumière), que les chercheurs utilisent pour créer des cartes géologiques. Ils apparaissent également dans une approche d'imagerie à plus petite échelle appelée microscopie à durée de vie de fluorescence. Les médecins utilisent la technique pour diagnostiquer certaines maladies comme la dégénérescence maculaire, La maladie d'Alzheimer et le cancer.

"Les gens projettent une impulsion de lumière sur leur échantillon, puis mesurent le temps qu'il faut pour émettre un photon, " dit Li. "Ce moment vous indique la propriété du matériau, comme le métabolisme d'une cellule."

Outils TCSPC traditionnels, cependant, ne peut mesurer ce temps que jusqu'à un certain niveau de précision :si deux photons arrivent sur votre appareil trop près l'un de l'autre, disons :100 trillionièmes de seconde ou moins, le détecteur les enregistre comme un seul photon. C'est un peu comme deux sprinteurs venant faire une photo finish lors d'un sprint de 100 mètres.

De si petites incohérences peuvent ressembler à une chicane, mais Li a noté qu'ils peuvent faire une grande différence en essayant d'obtenir un aperçu détaillé de molécules incroyablement petites.

Lentilles de temps

Alors lui et ses collègues ont décidé d'essayer de résoudre le problème en utilisant ce que les scientifiques appellent une « lentille temporelle ».

« Dans un microscope, nous utilisons des lentilles optiques pour agrandir un petit objet en une grande image, " a dit Li. "Notre objectif de temps fonctionne de la même manière mais pour le temps."

Pour comprendre comment fonctionne cette distorsion temporelle, imaginez deux photons comme deux coureurs qui courent au coude à coude, si proches que le chronométreur des Jeux olympiques ne peut pas les distinguer. Li et ses collègues passent ces deux photons à travers leur objectif temporel, qui est constitué de boucles de fibres de silice. Dans le processus, l'un des photons ralentit, tandis que l'autre accélère. Au lieu d'une course serrée, il y a maintenant un grand écart entre les coureurs, celui qu'un détecteur peut enregistrer.

"La séparation entre les deux photons sera amplifiée, " dit Li.

Et, l'équipe a découvert, la stratégie fonctionne :les appareils TCSPC avec lentilles temporelles intégrées peuvent distinguer les photons qui arrivent à un détecteur avec un écart de plusieurs centaines de quadrillions de seconde, des ordres de grandeur supérieurs à ce que les appareils normaux peuvent réaliser.

Les chercheurs ont encore du travail à faire avant que les lentilles ne deviennent courantes dans les laboratoires scientifiques. Mais ils espèrent que leur outil permettra un jour aux humains de voir des objets, du très petit au très grand, le tout avec une clarté qui était auparavant impossible.