عکسبرداری از یک فوتون 400 برابر بهتر از گذشته
بازار مقاله: به گزارش بازار مقاله، دوربینی که اخیرا ساخته شده است، ۴۰۰ برابر بهتر از هر زمان دیگری از یک فوتون عکس می گیرد و می تواند به شکار سیارات دوردست و همینطور ضبط سیگنال های مغز انسان کمک نماید.
به گزارش بازار مقاله به نقل از ایسنا و به نقل از فیز، پژوهشگران موسسه ملی استاندارد و فناوری در بولدر کلرادو، یک آشکارساز نانوسیم تک فوتونی ابررسانا(SNSPD) ساخته اند که می تواند تصاویری با وضوح ۴۰۰ هزار پیکسل بگیرد. وضوحی که برای گرفتن تصویر از یک فوتون کافی است.
فوتون ها واحد اصلی نور هستند و جرم و بار ندارند. حتی امواج مایکروویو، نور فروسرخ و پرتوی ایکس هم از فوتون تشکیل شده اند. تمام آن چه امروز در مورد کیهان می دانیم را مدیون فوتون هایی هستیم که با سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر در ثانیه در فضا حرکت می کنند و به ما می رسند.
فوتون ها همینطور نقش مهمی در نظریه نسبیت آلبرت اینشتین ایفا می کنند، چونکه بدون آنها، ما اهمیت سرعت نور را نمی دانیم یا درکی از برهم کنش زمان و مکان تعریف شده توسط آن نداریم. مطالعه فوتون ها، حوزه ذرات کوانتومی را به روی ما باز کرد و ما توانستیم انرژی را در مقیاس کوانتومی اندازه گیری نماییم.
فوتون
فوتون(Photon) یک ذره بنیادی است. فوتون یک کوانتوم یا به عبارتی کمترین مقدار قابل اندازه گیری در یک میدان الکترومغناطیسی مانند تابش الکترومغناطیسی(نور و امواج رادیویی) به حساب می آید و همینطور در نقش حامل نیرو برای نیروی الکترومغناطیس هم عمل می کند. فوتون ها جرم بسیار کمی(غیر قابل اندازه گیری) دارند و باآنکه سرعت فوتون به محیط بستگی دارد، اما در محیط خلأ، همواره با سرعتی برابر با سرعت نور معادل ۳۰۰ میلیون متر بر ثانیه حرکت می کنند.
مانند همه ذرات بنیادی، مکانیک کوانتومی بهترین توضیح را در مورد فوتون ها عرضه می نماید؛ ذراتی که مانند الکترون ها از خود دوگانگی موج و ذره نشان می دهند، به صورتی که دارای هر دو خاصیت موجی و ذره ای هستند.
مفهوم مدرن فوتون از پژوهش های آلبرت اینشتین در طول دو دهه ابتدایی قرن بیستم سرچشمه می گیرد، کسی که تحقیقات خویش را بر پایه کارهای ماکس پلانک بنا کرد. ماکس پلانک در کوشش برای توضیح این که چطور ماده و تابش الکترومغناطیس می توانند با یکدیگر در تعادل باشند، پیشنهاد کرد که انرژی ذخیره شده در اجسام مادی، متشکل از تعداد صحیحی از واحدهایی هم اندازه و مجزا از یکدیگر است. اینشتین پیشنهاد کرد که خودِ نور از واحدهای مجزایی از انرژی تشکیل شده است. آزمایش های انجام شده، نظر اینشتین در مورد نور را تأیید کرد و در سال ۱۹۲۶، گیلبرت لوییس واژه فوتون را برای این واحدهای انرژی ترویج کرد.
در مدل استاندارد در فیزیک ذرات، فوتون ها و سایر ذره های بنیادی بعنوان نتایج ضروری قوانین فیزیکی که دارای تقارن مشخص در هر نقطه از فضا-زمان هستند، توصیف می شوند. خواص ذاتی ذره هایی مانند بار الکتریکی، جرم و اسپین توسط نظریه پیمانه ای تعیین می شوند. مفهوم فوتون منجر به دستاوردهای بسیار مهمی در فیزیک نظری و تجربی گردید که از لیزرها، چگالش بوز-اینشتین، نظریه میدان های کوانتومی و دامنه احتمال در مکانیک کوانتومی همچون آنها هستند. مفهوم فوتون همینطور در زمینه هایی مانند فتوشیمی، میکروسکوپ های دارای قدرت تفکیک بالا و اندازه گیری فواصل مولکولی استفاده شده است.
اخیراً فوتون ها بعنوان عناصر مورد استفاده در ساخت کامپیوتر های کوانتومی، کاربرد در تصویربرداری نوری و مخابرات نوری مانند رمزنگاری کوانتومی مورد پژوهش قرار گرفته اند.
ثبت فوتون
دانشمندان برای بهبود بیشتر درک از نور در نظر دارند تا مدتی طولانی آنرا ثبت و ضبط کنند. بیشتر از دو دهه پیش، پژوهشگران دانشگاه مسکو فناوری ثبت و ضبط فوتون را کشف کردند، اما موانع فنی مانع استفاده از این روش فراتر از لابراتوار های تحقیقاتی شد.
حالا پژوهشگران موسسه ملی استانداردها و فناوری(NIST)، دپارتمان فیزیک دانشگاه کلرادو و لابراتوار پیشران جت در موسسه فناوری کالیفرنیا برای ساخت SNSPD که بزرگترین آرایه دوربین فوتونی است که تابحال ساخته شده است، همکاری کرده اند.
این آرایه پیکسلی ۴۰۰ برابر بزرگتر از بزرگترین دوربین فوتونی پیشین است و می تواند نور را در فرکانس های مختلف از فروسرخ تا فرابنفش بگیرد و تصاویر را با سرعت های بالا به اندازه پیکوثانیه ثبت کند.
کاربردهای دوربین فوتونی
این فناوری را میتوان در اکتشافات فضایی و جایی که پژوهشگران با چالش های شناسایی سیارات فراخورشیدی کوچکتر در مقابل ستارگان غول پیکر روبرو هستند، به کار گرفت.
سارا استایگر، دانشجوی دکترا که با ابزارهای عکاسی پرسرعت کار می کند، می گوید: سیارات می توانند یک میلیون بار کم نورتر از ستاره هایی باشند که به دور آنها می چرخند و SNSPD می تواند در تشخیص آن نور کمی که از سیاره فراخورشیدی بیرون می آید و به صورت بالقوه می تواند حیات را پشتیبانی کند، کمک نماید.
دور از سیارات فراخورشیدی و اینجا روی زمین، SNSPD می تواند به مغز ما هم نگاه کند و به ما کمک نماید سیگنال های درون نورون هایمان را بدون ایجاد اختلال در بافت زنده مطالعه نماییم.
پژوهشگران روش های گوناگونی را برای نقشه برداری نوری مغز بوجود آورده اند، اما پردازش سیگنال خروجی پیچیده است و ما تاثیر آن بر کیفیت سیگنال را کاملا درک نکرده ایم.
حالا این سنسور نانوسیمی امکانات بی شماری را برای تحقیقات بدون نگرانی فراهم می آورد.
پژوهشگران برای دستیابی به دقت و سرعت عکاسی که SNSPD عرضه می کند، مجبور بودند بر مجموعه ای از مشکلات ناشی از نویز الکتریکی، سرعت بازخوانی و دمای محیط غلبه کنند.
آنها در این مطالعه نوشتند: این آشکارسازها در دماهای بسیار پایین کار می کنند و حداقل نویز اضافی تولید می کنند که آنها را برای آزمایش ماهیت حقیقت، بررسی ماده تاریک، نقشه برداری از کیهان اولیه و انجام محاسبات و ارتباطات کوانتومی ایده آل می سازد.
منبع: بازار مقاله
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب