Esta cámara puede capturar átomos mejor que un teléfono inteligente

En los suburbios de Chicago, a unas 34 millas al oeste del lago Michigan, se encuentra un agujero en el suelo que baja unos 330 pies hacia abajo. Hace mucho tiempo, los científicos hicieron perforar el pozo para un experimento de física de partículas que desapareció hace mucho tiempo de este mundo. Ahora, en unos pocos años, reutilizarán el eje para un nuevo proyecto con el nombre místico. MAGIS-100.

Cuando MAGIS-100 esté completo, los físicos planean usarlo para detectar tesoros ocultos: materia oscura, el misterioso invisible alguna cosa se cree que eso constituye gran parte del universo; y ondas gravitacionales, ondas en el espacio-tiempo causadas por choques cósmicos como colisiones de agujeros negros. Esperan encontrar rastros de esos escurridizos fenómenos observando el la cantidad de firmas dejan atrás nubes de átomos de estroncio del tamaño de una gota de lluvia.

Pero en realidad observar esos átomos es más complicado de lo que cabría esperar. Para llevar a cabo experimentos similares, los físicos hasta ahora han confiado en cámaras comparables a las de un teléfono inteligente. Y si bien la tecnología podría funcionar bien para una puesta de sol o una comida sabrosa, limita lo que los físicos pueden ver a nivel atómico.

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Afortunadamente, algunos físicos pueden tener una actualización. Un equipo de investigación de diferentes grupos en Stanford, California, ha creado un artilugio de cámara único que se apoya en una cúpula de espejos. Los reflejos adicionales les ayudan a ver qué luz está entrando en la lente y a saber de qué ángulo proviene una determinada mancha de luz. Eso, esperan, les permitirá mirar dentro de una nube atómica como nunca antes.

A la cámara de tu teléfono móvil o DSLR no le importa de dónde viaje la luz: captura la intensidad de los fotones y los colores reflejados por las longitudes de onda, poco más. Para tomar fotografías de su familia, el horizonte de una ciudad o el Gran Cañón, eso está muy bien. Pero para estudiar átomos, deja bastante que desear. “Estás desperdiciando mucha luz”, dice Murtaza Safdariestudiante de posgrado en física de la Universidad de Stanford y uno de los creadores.

Los físicos quieren preservar esa información porque les permite pintar una imagen 3D más compleja del objeto (u objetos) que están estudiando. Y cuando se trata de los análisis meticulosos que les gusta hacer a los físicos, cuanta más información puedan obtener de una sola vez, más rápido y mejor.

Una forma de obtener esa información es configurar varias cámaras, lo que les permite tomar fotografías desde múltiples ángulos y unirlas para obtener una vista más detallada. Eso puede funcionar muy bien con, digamos, cinco cámaras. Pero algunos experimentos de física requieren mediciones tan precisas que incluso mil cámaras podrían no funcionar.

La matriz de espejos de la cámara atómica de Stanford se muestra en el laboratorio
La cámara impresa en 3D y cortada con láser. Sanha Cheong/Universidad de Stanford

Entonces, en un sótano de Stanford, los investigadores decidieron emprender la creación de su propio sistema para solucionar ese problema. “Nuestro pensamiento… fue básicamente: ¿Podemos tratar de capturar completamente tanta información como podamos, y podemos preservar la información direccional?” dice Safdari.

Su prototipo resultante, hecho de componentes estándar e impresos en 3D, parece una cúpula poco profunda, adornada con una serie de pequeños puntos en forma de espejo en el interior. El patrón parece formar una divertida ilusión óptica de círculos concéntricos, pero está cuidadosamente calculado para maximizar la luz que incide en la cámara.

Para el proyecto MAGIS-100, el sujeto de la toma, la nube de átomos de estroncio, estaría dentro de la cúpula. Un breve destello de luz de un rayo láser externo se dispersaría luego de los puntos de espejo y a través de la nube en una miríada de ángulos. La lente captaría los reflejos resultantes, cómo han interactuado con las moléculas y en qué puntos han rebotado.

Luego, a partir de esa información, los algoritmos de aprendizaje automático pueden reconstruir la estructura tridimensional de la nube. Actualmente, esta reconstrucción lleva muchos segundos; en un mundo ideal, tomaría milisegundos, o incluso menos. Pero, al igual que los algoritmos utilizados para entrenar a los autos sin conductor para que se adapten al mundo que los rodea, los investigadores creen que el rendimiento de sus códigos de computadora mejorará.

Si bien los creadores aún no han probado la cámara en átomos, lo probaron escaneando algunas piezas de muestra de tamaño adecuado: piezas en forma de letras impresas en 3D del tamaño de las gotas de estroncio que pretenden usar. La foto que tomaron fue tan clara que pudieron encontrar defectos donde las letras pequeñas D, O y E diferían de su diseño previsto.

Letras impresas en 3D fotografiadas y modeladas en 3D en una cuadrícula
Reconstrucciones de las letras de prueba desde varios ángulos. Sanha Cheong/Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC

Para experimentos atómicos como MAGIS-100, este equipo es distinto a cualquier otro en el mercado. “El estado del arte son solo cámaras, cámaras comerciales y lentes”, dice Ariel Schwartzmann, físico del SLAC National Accelerator Laboratory en California y cocreador de la configuración de Stanford. Examinaron los catálogos de equipos fotográficos en busca de algo que pudiera ver una nube atómica desde múltiples ángulos a la vez. “No había nada disponible”, dice Schwartzman.

Para complicar las cosas, muchos experimentos requieren que los átomos descansen en temperaturas extremadamente frías, apenas por encima del cero absoluto. Esto significa que requieren condiciones de poca luz: iluminar cualquier fuente de luz brillante durante demasiado tiempo podría calentarlos demasiado rápido. Ajuste un tiempo de exposición más largo en una cámara podría ayudar, pero también significa sacrificar algunos de los detalles y la información necesaria en la imagen final. “Estás permitiendo que la nube de átomos se difunda”, dice Sanha Cheong, un estudiante graduado de física en la Universidad de Stanford y miembro del equipo de construcción de cámaras. La cúpula del espejo, por otro lado, tiene como objetivo utilizar solo un breve destello láser con una exposición de microsegundos.

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El próximo desafío de los creadores es colocar la cámara en MAGIS-100, lo que requerirá muchos ajustes para colocar la cámara en un eje mucho más grande y en el vacío. Pero los físicos tienen esperanzas: una cámara como esta podría ir mucho más allá de detectar efectos oscuros alrededor de los átomos. Sus diseñadores planean usarlo para todo, desde rastrear partículas en plasma hasta medir el control de calidad de piezas pequeñas en la fábrica.

“Poder capturar la mayor cantidad de luz e información en una sola toma con la exposición más corta posible abre nuevas puertas”, dice Cheong.

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