Comment prendre une meilleure image des nuages ​​d’atomes ? Miroirs — beaucoup de miroirs —


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  • Lorsqu’elle sera mise en ligne, l’expérience MAGIS-100 du Laboratoire national des accélérateurs Fermi du Département de l’énergie et ses successeurs exploreront la nature des ondes gravitationnelles et rechercheront certains types de matière noire ondulatoire. Mais d’abord, les chercheurs doivent comprendre quelque chose d’assez basique : comment obtenir de bonnes photographies des nuages ​​d’atomes au cœur de leur expérience.

    Les chercheurs du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie ont réalisé que cette tâche serait peut-être l’exercice ultime de la photographie en ultra-faible luminosité.

    Mais une équipe du SLAC qui comprenait les étudiants diplômés de Stanford Sanha Cheong et Murtaza Safdari, le professeur du SLAC Ariel Schwartzman et les scientifiques du SLAC Michael Kagan, Sean Gasiorowski, Maxime Vandegar et Joseph Frish ont trouvé un moyen simple de le faire : les miroirs. En disposant des miroirs dans une configuration en forme de dôme autour d’un objet, ils peuvent réfléchir plus de lumière vers la caméra et imager plusieurs côtés d’un objet simultanément.

    Et, l’équipe rapporte dans le Revue d’instrumentation, il y a un avantage supplémentaire. Étant donné que la caméra rassemble désormais des vues d’un objet prises sous de nombreux angles différents, le système est un exemple d ‘«imagerie en champ lumineux», qui capture non seulement l’intensité de la lumière, mais également la direction dans laquelle les rayons lumineux se déplacent. En conséquence, le système de miroir peut aider les chercheurs à construire un modèle tridimensionnel d’un objet, tel qu’un nuage d’atomes.

    « Nous faisons progresser l’imagerie dans des expériences comme MAGIS-100 vers le nouveau paradigme d’imagerie avec ce système », a déclaré Safdari.

    Un défi photographique insolite

    Le capteur interférométrique de gradiomètre atomique à ondes de matière de 100 mètres de long, ou MAGIS-100, est un nouveau type d’expérience installé dans un puits vertical au Fermi National Accelerator Laboratory du DOE. Connu sous le nom d’interféromètre atomique, il exploitera les phénomènes quantiques pour détecter les ondes de passage de matière noire ultralégère et les atomes de strontium en chute libre.

    Les expérimentateurs libéreront des nuages ​​d’atomes de strontium dans un tube à vide qui s’étend sur toute la longueur de l’arbre, puis feront briller la lumière laser sur les nuages ​​en chute libre. Chaque atome de strontium agit comme une onde, et la lumière laser envoie chacune de ces ondes atomiques dans une superposition d’états quantiques, dont l’un continue sur sa trajectoire d’origine tandis que l’autre est propulsé beaucoup plus haut.

    Lorsqu’elles sont recombinées, les ondes créent un motif d’interférence dans l’onde de l’atome de strontium, semblable au motif complexe d’ondulations qui émerge après avoir sauté un rocher sur un étang. Ce modèle d’interférence est sensible à tout ce qui modifie la distance relative entre les paires d’ondes quantiques ou les propriétés internes des atomes, qui pourraient être influencées par la présence de matière noire.

    Pour voir les modèles d’interférence, les chercheurs prendront littéralement des photos d’un nuage d’atomes de strontium, ce qui comporte un certain nombre de défis. Les nuages ​​​​de strontium eux-mêmes sont petits, seulement environ un millimètre de diamètre, et les détails que les chercheurs doivent voir sont d’environ un dixième de millimètre de diamètre. La caméra elle-même doit être placée à l’extérieur d’une chambre et regarder à travers une fenêtre sur une distance relativement longue pour voir les nuages ​​​​de strontium à l’intérieur.

    Mais le vrai problème est la lumière. Pour illuminer les nuages ​​de strontium, les expérimentateurs feront briller des lasers sur les nuages. Cependant, si la lumière laser est trop intense, elle peut détruire les détails que les scientifiques veulent voir. Si elle n’est pas assez intense, la lumière des nuages ​​sera trop faible pour que les caméras la voient.

    « Vous ne collecterez que la quantité de lumière qui tombe sur l’objectif », a déclaré Safdari, « ce qui n’est pas beaucoup ».

    Les miroirs à la rescousse

    Une idée consiste à utiliser une grande ouverture, ou ouverture, pour laisser entrer plus de lumière dans l’appareil photo, mais il y a un compromis : une grande ouverture crée ce que les photographes appellent une profondeur de champ étroite, où seule une tranche étroite de l’image est mise au point.

    Une autre possibilité serait de positionner plus de caméras autour d’un nuage d’atomes de strontium. Cela pourrait recueillir plus de lumière réémise, mais cela nécessiterait plus de fenêtres ou, alternativement, installer les caméras à l’intérieur de la chambre, et il n’y a pas beaucoup d’espace là-dedans pour un tas de caméras.

    La solution est apparue, a déclaré Schwartzman, lors d’une séance de remue-méninges dans le laboratoire. Alors qu’ils échangeaient des idées, le scientifique Joe Frisch a eu l’idée de miroirs.

    « Ce que vous pouvez faire, c’est réfléchir la lumière qui s’éloigne du nuage vers l’objectif de la caméra », a déclaré Cheong. En conséquence, un appareil photo peut recueillir non seulement beaucoup plus de lumière, mais également plus de vues d’un objet sous différents angles, chacune d’entre elles apparaissant sur la photographie brute comme un point distinct sur un fond noir. Cette collection d’images distinctes, a réalisé l’équipe, signifiait qu’ils avaient conçu une forme dite « d’imagerie en champ lumineux » et pourraient être en mesure de reconstruire un modèle tridimensionnel du nuage d’atomes, pas seulement une image bidimensionnelle.

    L’impression 3D d’une idée

    Avec le soutien d’une subvention de recherche et développement dirigée par un laboratoire, Cheong et Safdari ont repris l’idée du miroir et l’ont poursuivie, concevant un ensemble de minuscules miroirs capables de rediriger la lumière de tout autour d’un nuage d’atomes vers une caméra. À l’aide d’un logiciel d’algèbre et de lancer de rayons développé par Kagan et Vandegar, l’équipe a calculé exactement les bonnes positions et les bons angles qui permettraient au miroir de garder de nombreuses images différentes du nuage au point sur la caméra. L’équipe a également développé des algorithmes de vision par ordinateur et d’intelligence artificielle pour utiliser les images 2D pour effectuer une reconstruction 3D.

    C’est le genre de chose qui peut sembler évidente rétrospectivement, mais il a fallu beaucoup de réflexion pour y parvenir, a déclaré Schwartzman. « Lorsque nous avons proposé cela pour la première fois, nous avons pensé: » Les gens doivent avoir fait cela avant «  », a-t-il déclaré, mais en fait, c’est suffisamment nouveau pour que le groupe ait déposé un brevet sur l’appareil.

    Pour tester l’idée, Cheong et Safdari ont réalisé une maquette avec un échafaudage imprimé en 3D tenant les miroirs, puis ont fabriqué un objet fluorescent imprimé en micro-3D qui énonce « DOE » lorsqu’il est vu sous différents angles. Ils ont pris une photo de l’objet avec leur dôme de miroir et ont montré qu’ils pouvaient, en fait, recueillir la lumière sous plusieurs angles différents et garder toutes les images nettes. De plus, leur reconstruction 3D était si précise qu’elle a révélé un petit défaut dans la fabrication de l’objet « DOE » – un bras du « E » légèrement plié vers le bas.

    La prochaine étape, selon les chercheurs, est de construire une nouvelle version pour tester l’idée dans un interféromètre atomique plus petit à Stanford, qui produirait les premières images 3D de nuages ​​​​d’atomes. Cette version du dôme miroir se trouverait à l’extérieur de la chambre contenant le nuage d’atomes, donc si ces tests réussissent, l’équipe construirait alors une version en acier inoxydable de l’échafaudage miroir adaptée aux conditions de vide à l’intérieur d’un interféromètre atomique.

    Schwartzman a déclaré que les idées développées par Cheong, Safdari et le reste de l’équipe pourraient être utiles au-delà des expériences de physique. « C’est un nouvel appareil. Notre application est l’interférométrie atomique, mais cela peut être utile dans d’autres applications », a-t-il déclaré, comme le contrôle qualité pour la fabrication de petits objets dans l’industrie.

    La recherche a été financée par le Département de l’énergie, Programme de recherche et de développement dirigé par le laboratoire. MAGIS-100 est soutenu par la Gordon and Betty Moore Foundation et le DOE Office of Science.

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