Graphique montrant comment une lentille temporelle peut distinguer deux photons arrivant à proximité d’un détecteur. Crédit : Optica
Les chercheurs de CU Boulder ont conçu l’un des chronomètres les plus précis à ce jour, non 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 Alzheimer et cancéreux. 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 éclairent d’abord une lumière laser sur un échantillon de leur choix, des protéines individuelles jusqu’à une formation géologique massive, puis enregistrent les photons qui leur reviennent. Plus les chercheurs collectent de photons, plus ils peuvent en apprendre sur cet objet.
« TCSPC vous donne le nombre total de photons. C’est aussi le moment où chaque photon frappe votre détecteur », a déclaré Li, chercheur postdoctoral au Département de génie électrique, informatique et énergétique (ECEE) de CU Boulder. « Cela fonctionne comme un chronomètre.
Image lidar d’une rue de la ville. Crédit: Photo de Daniel L. Lu via Wikimedia Commons
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 à celle des 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 temporelle à photon unique”, a déclaré Huang, professeur adjoint à l’ECEE.
La recherche fait partie du nouveau centre de systèmes quantiques de 25 millions de dollars par le biais de la science et de l’ingénierie enchevêtrées (Q-SEnSE) dirigé par CU Boulder.
Finition photo
TCSPC n’est peut-être pas un nom familier, a déclaré Huang. Mais la technologie, qui a été développée 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 cette 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”, a déclaré Li. “Ce moment vous indique la propriété du matériau, comme le métabolisme d’une cellule.”
Les outils TCSPC traditionnels, cependant, ne peuvent 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 à 100 billions 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 telles incohérences minuscules peuvent sembler une chicane, mais Li a noté qu’elles peuvent faire une grande différence en essayant d’obtenir un aperçu détaillé de molécules incroyablement petites.
Lentilles de temps
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 déclaré Li. « Notre objectif temporel fonctionne de la même manière, mais pour le temps. »
Pour comprendre comment fonctionne cette distorsion temporelle, imaginez deux photons comme deux coureurs au coude à coude, si proches que le chronométreur des Jeux olympiques ne peut pas les distinguer. Li et ses collègues font passer ces deux photons à travers leur lentille temporelle, constituée 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, qu’un détecteur peut enregistrer.
“La séparation entre les deux photons sera amplifiée”, a déclaré Li.
Et, a découvert l’équipe, 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. C’est des ordres de grandeur mieux que 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.
Référence : « Comptage de photons agrandis dans le temps avec une résolution de 550 fs » par Bowen Li, Jan Bartos, Yijun Xie et Shu-Wei Huang, 17 août 2021, OPTIQUE.
DOI : 10.1364 / OPTICA.420816
Les autres coauteurs de la nouvelle étude comprennent les étudiants diplômés de l’ECEE Jan Bartos et Yijun Xie.