Změřte objekty, které nevidíte

Když je světlo vychýleno neuspořádanou strukturou, je obtížné odhadnout, kde je cíl. Fotografické kredity: Vídeňská technická univerzita

Jak měříte objekty, které za normálních okolností nevidíte? Univerzita v Utrechtu a TU Vídeň otevírají nové možnosti díky speciálním světelným vlnám.

Laserové paprsky lze použít k přesnému měření polohy nebo rychlosti objektu. Obvykle je však nutný jasný, nerušený výhled na tento objekt – a tento požadavek není vždy splněn. Například v biomedicíně jsou zkoumány struktury, které jsou zakotveny v nepravidelném a komplikovaném prostředí. Tam se laserový paprsek vychýlí, rozptýlí a lomí, což často znemožňuje získat z měření užitečná data.

Avšak University of Utrecht (Nizozemsko) a TU Wien (Vídeň, Rakousko) nyní ukázaly, že i v tak komplikovaném prostředí lze dosáhnout smysluplných výsledků. Ve skutečnosti existuje způsob, jak specificky upravit laserový paprsek tak, aby poskytoval přesně ty informace, které chcete, ve složitém neuspořádaném prostředí – a to nejen přibližně, ale fyzicky optimálním způsobem: Příroda neumožňuje přesnost s koherentním laserovým světlem . Nová technologie může být použita ve velmi odlišných oblastech použití, dokonce is různými typy vln, a nyní byla představena v obchodním deníku Přírodní fyzika.

Vysavač a okno koupelny

“Vždy chceš získat nejlepší možné měření.” přesnost – to je ústřední prvek všech přírodních věd, “říká Stefan Rotter z Vídeňské technické univerzity. “Představme si například obry.” LIGO Zařízení použité k detekci Gravitační vlny: Tam vysíláte laserové paprsky na zrcadlo a změny vzdálenosti mezi laserem a zrcadlem jsou měřeny s extrémní přesností. “Funguje to jen tak dobře, protože laserový paprsek je vysílán ultravysokým vakuem.” Je třeba se vyhnout každému narušení, ať už je jakkoli malé.

Ale co můžete dělat, když čelíte interferenci, kterou nelze eliminovat? „Představme si skleněnou tabuli, která není dokonale průhledná, ale spíše drsná a neleštěná jako okno koupelny,“ říká Allard Mosk z Utrechtské univerzity. “Světlo může projít, ale ne přímo.” Světelné vlny se mění a rozptýlí, takže nevidíme objekt na druhé straně okna pouhým okem. “Je to podobné, když chcete zkoumat drobné předměty v biologické tkáni: neuspořádané prostředí narušuje světelný paprsek.” Jednoduchý, pravidelný přímý laserový paprsek se pak stává složitým vlnovým vzorem, který je vychýlen do všech směrů.

Optimální vlna

Pokud však víte přesně, co interferující prostředí dělá se světelným paprskem, můžete situaci zvrátit: pak místo jednoduchého přímého laserového paprsku, který se převede na přesně požadovaný tvar, je možné vytvořit komplikovanou vlnu vzor kvůli rušení a zasáhne přesně tam, kde může přinést nejlepší výsledek. „Abyste toho dosáhli, nemusíte ani přesně vědět, o jaké poruchy jde,“ vysvětluje Dorian Bouchet, první autor studie. „Stačí nejprve poslat do systému řadu testovacích vln, abyste zjistili, jak jsou systémem změněny.“

Vědci zapojení do této práce společně vyvinuli matematickou metodu, pomocí které lze z těchto testovacích dat vypočítat optimální vlnu: „Mohou ukázat, že existují různé vlny pro různá měření, které poskytují maximum informací, z prostorových souřadnic, kde určitá objekt se nachází. “

Vezměme si například objekt, který je skryt za zakalenou skleněnou tabulí: existuje optimální světelná vlna, se kterou lze získat maximální množství informací o tom, zda se objekt posunul trochu doprava nebo trochu do vlevo, odjet. Tato vlna vypadá komplikovaně a neuspořádaně, ale poté je zamračeným diskem upravena takovým způsobem, že dorazí k objektu přesně požadovaným způsobem a vrátí experimentálnímu měřicímu zařízení co největší možné množství informací.

Laserové experimenty v Utrechtu

Skutečnost, že metoda skutečně funguje, byla experimentálně potvrzena na univerzitě v Utrechtu: laserové paprsky byly směrovány neuspořádaným médiem ve formě zakalené desky. Bylo charakterizováno rozptylové chování média, poté byly vypočítány optimální vlny, aby bylo možné analyzovat objekt na druhé straně desky – a toho bylo dosaženo s přesností v rozsahu nanometrů.

Tým poté provedl další měření, aby otestoval meze své nové metody: Počet fotonů v laserovém paprsku byl významně snížen, aby bylo možné určit, zda lze stále dosáhnout smysluplného výsledku. Tímto způsobem dokázali ukázat, že metoda nejen funguje, ale je také fyzicky optimální: „Vidíme, že přesnost naší metody je omezena pouze tím, co je známé jako kvantový šum,“ vysvětluje Allard Mosk. “Tento hluk vyplývá ze skutečnosti, že světlo je tvořeno fotony – s tím se nedá nic dělat.” Ale v mezích toho, co kvantová fyzika umožňuje koherentní laserový paprsek, můžeme ve skutečnosti vypočítat optimální vlny pro měření různých věcí. Nejen poloha, ale také pohyb nebo směr otáčení objektů. “

Těchto výsledků bylo dosaženo v rámci programu mapování polovodičových struktur v rozsahu nanometrů, na kterém univerzity spolupracují s průmyslem. Možnými oblastmi použití této nové technologie jsou mikrobiologie, ale také výroba počítačových čipů, pro které jsou nezbytná extrémně přesná měření.

Odkaz: „Stavy maximálního množství informací pro koherentní měření rozptylu“, autor: Dorian Bouchet, Stefan Rotter a Allard P. Mosk, 21. ledna 2021, Přírodní fyzika.
DOI: 10.1038 / s41567-020-01137-4

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Skladování obnovitelné energie v kamenech místo lithiových baterií

V případě přebytku elektřiny z větru nebo slunce se energetická rezerva nabije. To se děje prostřednictvím systému kompresorů a turbín, které čerpají tepelnou...

Houby mohou léčit bakterie a obohatit půdu o živiny

Aeroskulární mykorhizní houby se rozprostírají přes dlouhé vláknité struktury zvané krásně až k zemi. Krásy, menší než lidské vlasy, lze vidět mezi kořeny...

Světlo zapíná barvy a vzory objektů

Nový systém využívá ultrafialové světlo, které se promítá na objekty natřené barvou aktivující světlo, ke změně reflexních vlastností barvy a vytváření obrazů během několika...

Ne! Je pravděpodobnější, že žádosti o půjčku zpracované kolem poledne budou zamítnuty

Úředníci bankovních půjček pravděpodobněji budou schvalovat žádosti o půjčky dříve a později během dne, zatímco „únava z rozhodování“ kolem poledne je spojena s nedodržováním...

Náročné modely před oddělením v Bothnian Bay

19. dubna 2021 Mořský led na severu Baltského moře vykazuje některé přesvědčivé vzory, než se na jaře roztaví a setře. Na rozdíl od mořského ledu, který...

Newsletter

Subscribe to stay updated.