[ad_1]
(Noticias de Nanowerk) El experimento MAGIS 100 en el Laboratorio Nacional de Aceleradores de Fermi y sus sucesores, cuando esté en línea, explorarán la naturaleza de las ondas gravitacionales y buscarán tipos específicos de materia oscura ondulada. Pero primero, los investigadores deben descubrir algo bastante básico: cómo obtener buenas fotografías de las nubes atómicas que son el centro de su experimento.
Los investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía se dieron cuenta de que esta tarea podría ser el último ejercicio en fotografía con luz ultrabaja.
Pero un equipo de SLAC que incluía a los graduados de Stanford Sanha Cheong y Murtaza Safdari, el profesor de SLAC Ariel Schwartzman y los científicos de SLAC Michael Kagan, Sean Gasiorowski, Maxime Vandegar y Joseph Frish encontraron una manera fácil de hacerlo: Mirror. Al colocar los espejos en una configuración similar a una cúpula alrededor de un objeto, pueden reflejar más luz hacia la cámara y obtener imágenes de varios lados de un objeto a la vez.
Y el equipo informa en el Revista de instrumentación («Novedoso dispositivo de imágenes de campo de luz con recolección de luz mejorada para nubes atómicas frías») hay un beneficio adicional. Debido a que la cámara ahora recopila vistas de un objeto desde muchos ángulos diferentes, el sistema es un ejemplo de «imágenes de campo de luz» que captura no solo la intensidad de la luz sino también la dirección de los rayos de luz. Como resultado, el sistema de espejos puede ayudar a los investigadores a crear un modelo tridimensional de un objeto, como una nube de átomos.
«Con este sistema, estamos trayendo la imagen en experimentos como MAGIS-100 al último paradigma de imagen», dijo Safdari.
![Diferentes vistas de un objeto impreso en 3D capturado por una sola cámara con una serie de espejos en forma de cúpula](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61318_1.jpg)
Un reto fotográfico inusual
El sensor interferométrico de gradiómetro atómico de onda de materia de 100 metros de largo, o MAGIS-100, es un nuevo tipo de experimento que se instalará en un eje vertical en el Laboratorio Nacional Acelerador Fermi del DOE. Conocido como un interferómetro atómico, aprovechará los fenómenos cuánticos para detectar ondas pasajeras de materia oscura ultraligera y átomos de estroncio en caída libre.
Los experimentadores liberarán nubes de átomos de estroncio en un tubo de vacío que se extiende a lo largo del eje, y luego iluminarán con luz láser las nubes en caída libre. Cada átomo de estroncio actúa como una onda, y la luz láser envía cada una de estas ondas atómicas a una superposición de estados cuánticos, uno de los cuales continúa en su camino original mientras que el otro es lanzado mucho más alto.
Cuando se recombinan, las ondas crean un patrón de interferencia en las ondas atómicas de estroncio, similar al patrón de onda complejo creado al saltar una roca en un estanque. Este patrón de interferencia es sensible a cualquier cosa que cambie la distancia relativa entre los pares de ondas cuánticas o las propiedades internas de los átomos que podrían verse afectadas por la presencia de materia oscura.
Para ver los patrones de interferencia, los investigadores fotografiarán literalmente una nube de átomos de estroncio, lo que presenta una serie de desafíos. Las nubes de estroncio en sí mismas son pequeñas, de solo un milímetro de diámetro, y los detalles que los investigadores necesitan ver tienen aproximadamente una décima parte de un milímetro de diámetro. La cámara en sí tiene que sentarse fuera de una cámara y mirar a través de una ventana a una distancia relativamente larga para ver las nubes de estroncio en el interior.
Pero el verdadero problema es la luz. Para iluminar las nubes de estroncio, los experimentadores apuntarán láseres a las nubes. Sin embargo, si la luz del láser es demasiado intensa, puede destruir los detalles que los científicos quieren ver. Si no es lo suficientemente intensa, la luz de las nubes es demasiado tenue para que la vean las cámaras.
«Solo recogerás la cantidad de luz que llegue a la lente», dijo Safdari, «que no es mucha».
espejo al rescate
Una idea es usar una gran apertura, o apertura, para permitir que entre más luz en la cámara, pero hay una compensación: una gran apertura crea lo que los fotógrafos llaman una profundidad de campo estrecha, donde solo una parte estrecha de la imagen está en enfoque
Otra posibilidad sería colocar más cámaras alrededor de una nube de átomos de estroncio. Esto podría recolectar más luz reemitida, pero requeriría más ventanas o, alternativamente, montar las cámaras en la cámara y no hay mucho espacio para un par de cámaras.
La solución surgió, dijo Schwartzman, durante una sesión de intercambio de ideas en el laboratorio. Mientras intercambiaban ideas, al científico Joe Frisch se le ocurrió la idea de los espejos.
«Lo que puedes hacer es reflejar la luz que sale de la nube hacia la lente de la cámara», dijo Cheong. Como resultado, una cámara no solo puede capturar mucha más luz, sino también más vistas de un objeto desde diferentes ángulos, cada una de las cuales aparece como una mancha distinta sobre un fondo negro en la foto sin procesar. El equipo se dio cuenta de que esta colección de imágenes dispares significaba que habían desarrollado una forma de las llamadas «imágenes de campo de luz» y podrían haber podido reconstruir un modelo tridimensional de la nube atómica, no solo una imagen bidimensional.
Impresión 3D de una idea
Con el apoyo de una subvención de investigación y desarrollo dirigida por el laboratorio, Cheong y Safdari tomaron la idea del espejo y la implementaron, diseñando una serie de pequeños espejos que podrían redirigir la luz desde cualquier lugar alrededor de una nube atómica de regreso a una cámara. Usando software de álgebra y trazado de rayos desarrollado por Kagan y Vandegar, el equipo calculó las posiciones y los ángulos correctos que permitirían que el espejo mantuviera nítidas muchas imágenes diferentes de la nube en la cámara. El equipo también desarrolló algoritmos de visión por computadora e inteligencia artificial para usar las imágenes 2D para realizar una reconstrucción 3D.
Eso puede parecer obvio en retrospectiva, pero se necesitó mucho esfuerzo para lograrlo, dijo Schwartzman. «Cuando se nos ocurrió esto por primera vez, pensamos: ‘La gente debe haber hecho esto antes'», dijo, pero de hecho es lo suficientemente nuevo como para que el grupo haya solicitado una patente para el dispositivo.
Para probar la idea, Cheong y Safdari hicieron una maqueta con un esqueleto impreso en 3D que sostenía los espejos, luego hicieron un objeto fluorescente microimpreso en 3D que deletrea «DOE» cuando se considera que está compuesto por diferentes perspectivas. Fotografiaron el objeto utilizando su cúpula de espejo y demostraron que, de hecho, podían captar la luz desde diferentes ángulos y mantener todas las imágenes enfocadas. Además, su reconstrucción en 3D fue tan precisa que reveló un pequeño defecto en la fabricación del objeto «DOE»: un brazo de la «E» ligeramente curvado hacia abajo.
El siguiente paso, dijeron los investigadores, es construir una nueva versión para probar la idea en un interferómetro de átomos más pequeños en Stanford, que produciría las primeras imágenes en 3D de las nubes atómicas. Esta versión de la cúpula del espejo se ubicaría fuera de la cámara que contiene la nube atómica. Si esas pruebas tienen éxito, el equipo construiría una versión de acero inoxidable del marco del espejo adecuado para las condiciones de vacío dentro de un interferómetro atómico.
Schwartzman dijo que las ideas desarrolladas por Cheong, Safdari y el resto del equipo podrían ser útiles más allá de los experimentos de física. «Es un dispositivo nuevo. Nuestra aplicación es la interferometría atómica, pero también puede ser útil para otras aplicaciones”, dijo, como el control de calidad para la fabricación de pequeños objetos en la industria.
[ad_2]