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Investigadores de la Universidad de Colorado en Boulder han diseñado uno de los cronómetros más precisos hasta la fecha, no para cronometrar a los velocistas y nadadores olímpicos, sino para contar fotones individuales, o los diminutos paquetes de energía que componen la luz.
El invento del equipo podría dar lugar a grandes mejoras en toda una serie de tecnologías de la imagen, desde sensores que cartografían bosques y cordilleras enteras hasta dispositivos más detallados que pueden diagnosticar enfermedades humanas como el Alzheimer y el cáncer. El grupo ha publicado sus resultados esta semana en la revista Optica.
Bowen Li, autor principal del nuevo estudio, dijo que la investigación se centra en una tecnología ampliamente aplicada llamada recuento de fotones individuales relacionados con el tiempo (TCSPC). Funciona un poco como los cronómetros que se ven en los Juegos Olímpicos: Los científicos primero dirigen una luz láser a una muestra de su elección, desde proteínas individuales hasta una formación geológica masiva, y luego registran los fotones que les llegan de vuelta. Cuantos más fotones recojan los investigadores, más podrán aprender sobre ese objeto.
"El TCSPC te da el número total de fotones. También cronometra el momento en que cada fotón llega al detector", explica Li, investigador postdoctoral del Departamento de Ingeniería Eléctrica, Informática y Energética (ECEE) de la Universidad de California en Boulder. "Funciona como un cronómetro".
Ahora, ese cronómetro ha mejorado más que nunca. Utilizando una herramienta óptica ultrarrápida llamada "lente de tiempo", Li y sus colegas demuestran que pueden medir la llegada de fotones con una precisión que es más de 100 veces mejor que las herramientas existentes.
Shu-Wei Huang, autor correspondiente del nuevo estudio, añadió que la lente temporal cuántica del grupo funciona incluso con los dispositivos TCSPC más baratos disponibles en el mercado.
"Podemos añadir esta modificación a casi cualquier sistema TCSPC para mejorar su resolución de tiempo de un solo fotón", dijo Huang, profesor asistente de ECEE.
La investigación forma parte del recién estrenado centro Quantum Systems through Entangled Science and Engineering (Q-SEnSE), dotado con 25 millones de dólares y dirigido por la CU Boulder.
Final de foto
Puede que el TCSPC no sea un nombre conocido, dijo Huang. Pero esta tecnología, desarrollada por primera vez en 1960, ha revolucionado la forma en que los seres humanos ven el mundo. Estos contadores de fotones son componentes importantes de los sensores lidar (o de detección y alcance de la luz), que los investigadores utilizan para crear mapas geológicos. También aparecen en un método de obtención de imágenes a menor escala denominado microscopía de fluorescencia de vida útil. Los médicos emplean esta técnica para diagnosticar algunas enfermedades como la degeneración macular, la enfermedad de Alzheimer y el cáncer.
"La gente hace brillar un pulso de luz sobre la muestra y luego mide el tiempo que tarda en emitir un fotón", explica Li. "Ese tiempo te indica la propiedad del material, como el metabolismo de una célula".
Sin embargo, las herramientas tradicionales de TCSPC sólo pueden medir ese tiempo hasta un cierto nivel de precisión: Si dos fotones llegan a su dispositivo demasiado juntos -por ejemplo, con una diferencia de 100 trillonésimas de segundo o menos- el detector los registra como un solo fotón. Es un poco como si dos velocistas llegaran a una foto final durante una carrera de 100 metros.
Estas pequeñas incoherencias pueden parecer una minucia, pero Li señaló que pueden suponer una gran diferencia cuando se trata de obtener una visión detallada de moléculas increíblemente pequeñas.
Lentes de tiempo
Así que él y sus colegas decidieron intentar resolver el problema utilizando lo que los científicos llaman una "lente de tiempo".
"En un microscopio, utilizamos lentes ópticas para ampliar un objeto pequeño y convertirlo en una imagen grande", explica Li. "Nuestra lente del tiempo funciona de forma similar, pero para el tiempo".
Para entender cómo funciona esa distorsión del tiempo, imagina dos fotones como dos corredores que corren codo con codo, tan cerca que el cronometrador de las Olimpiadas no puede distinguirlos. Li y sus colegas hacen pasar ambos fotones por su lente temporal, formada por bucles de fibras de sílice. En el proceso, uno de los fotones se ralentiza, mientras que el otro se acelera. En lugar de una carrera reñida, ahora hay una gran diferencia entre los corredores, que un detector puede registrar.
"La separación entre los dos fotones se amplía", afirma Li.
Y, según descubrió el equipo, la estrategia funciona: Los dispositivos TCSPC con lentes de tiempo incorporadas pueden distinguir entre los fotones que llegan a un detector con una brecha de varios cientos de cuatrillonésimas de segundo -órdenes de magnitud mejores que los que pueden lograr los dispositivos normales.
Los investigadores todavía tienen que trabajar antes de que las lentes de tiempo se conviertan en algo habitual en los laboratorios científicos. Pero esperan que su herramienta permita algún día a los humanos ver objetos, desde los más pequeños hasta los más grandes, con una claridad que antes era imposible.
Fuentes, créditos y referencias:
Bowen Li et al, Time-magnified photon counting with 550-fs resolution, Optica (2021). DOI: 10.1364/OPTICA.420816