Wie macht man ein besseres Bild von Atomwolken? Spiegel – viele Spiegel

Wenn es online geht, wird die MAGIS-100 Experiment am Fermi National Accelerator Laboratory des Department of Energy und seinen Nachfolgern wird die Natur von Gravitationswellen erforschen und nach bestimmten Arten von wellenförmiger dunkler Materie suchen. Aber zuerst müssen die Forscher etwas ziemlich Grundlegendes herausfinden: wie man gute Fotos der Atomwolken bekommt, die das Herzstück ihres Experiments bilden.

Forscher des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums erkannten, dass diese Aufgabe vielleicht die ultimative Übung in der Ultra-Low-Light-Fotografie sein würde.

Aber ein SLAC-Team, dem die Stanford-Absolventen Sanha Cheong und Murtaza Safdari, SLAC-Professor Ariel Schwartzman und die SLAC-Wissenschaftler Michael Kagan, Sean Gasiorowski, Maxime Vandegar und Joseph Frish angehörten, fanden einen einfachen Weg, dies zu tun: Spiegel. Durch die Anordnung von Spiegeln in einer kuppelartigen Konfiguration um ein Objekt können sie mehr Licht in Richtung der Kamera reflektieren und mehrere Seiten eines Objekts gleichzeitig abbilden.

Und das Team berichtet in der Zeitschrift für Instrumentierung, gibt es einen zusätzlichen Vorteil. Da die Kamera jetzt Ansichten eines Objekts aus vielen verschiedenen Winkeln sammelt, ist das System ein Beispiel für „Lichtfeld-Bildgebung“, das nicht nur die Intensität des Lichts erfasst, sondern auch die Richtung, in die sich Lichtstrahlen ausbreiten. Infolgedessen kann das Spiegelsystem Forschern dabei helfen, ein dreidimensionales Modell eines Objekts, beispielsweise einer Atomwolke, zu erstellen.

„Mit diesem System bringen wir die Bildgebung in Experimenten wie MAGIS-100 auf das neueste Bildgebungsparadigma“, sagte Safdari.

Eine ungewöhnliche fotografische Herausforderung

Der 100 Meter lange Matter-Wave Atomic Gradiometer Interferometric Sensor, oder MAGIS-100, ist eine neue Art von Experiment, das in einem vertikalen Schacht im Fermi National Accelerator Laboratory des DOE installiert wird. Bekannt als Atominterferometer, wird es Quantenphänomene ausnutzen, um vorbeiziehende Wellen ultraleichter dunkler Materie und frei fallende Strontiumatome zu erkennen.

Experimentatoren werden Wolken aus Strontiumatomen in einer Vakuumröhre freisetzen, die sich über die Länge des Schafts erstreckt, und dann Laserlicht auf die frei fallenden Wolken richten. Jedes Strontiumatom wirkt wie eine Welle, und das Laserlicht schickt jede dieser Atomwellen in eine Überlagerung von Quantenzuständen, von denen einer seinen ursprünglichen Weg fortsetzt, während der andere viel höher geschleudert wird.

Wenn sie wieder kombiniert werden, erzeugen die Wellen ein Interferenzmuster in Strontium-Atomwellen, ähnlich dem komplexen Wellenmuster, das entsteht, wenn man einen Felsen auf einem Teich überspringt. Dieses Interferenzmuster reagiert empfindlich auf alles, was den relativen Abstand zwischen den Paaren von Quantenwellen oder die inneren Eigenschaften der Atome verändert, die durch die Anwesenheit von Dunkler Materie beeinflusst werden könnten.

Um die Interferenzmuster zu sehen, werden die Forscher buchstäblich eine Wolke aus Strontiumatomen fotografieren, was eine Reihe von Herausforderungen mit sich bringt. Die Strontiumwolken selbst sind klein, nur etwa einen Millimeter breit, und die Details, die Forscher sehen müssen, haben einen Durchmesser von etwa einem Zehntel Millimeter. Die Kamera selbst muss außerhalb einer Kammer sitzen und über eine relativ große Entfernung durch ein Fenster blicken, um die Strontiumwolken darin zu sehen.

Aber das eigentliche Problem ist Licht. Um die Strontiumwolken zu beleuchten, werden Experimentatoren Laser auf die Wolken richten. Wenn das Laserlicht jedoch zu intensiv ist, kann es die Details zerstören, die Wissenschaftler sehen möchten. Wenn es nicht intensiv genug ist, ist das Licht der Wolken für die Kameras zu schwach, um es zu sehen.

„Sie werden nur so viel Licht sammeln, wie auf die Linse fällt“, sagte Safdari, „was nicht viel ist.“

Spiegel zur Rettung

Eine Idee ist, eine große Blende oder Öffnung zu verwenden, um mehr Licht in die Kamera zu lassen, aber es gibt einen Kompromiss: Eine große Blende erzeugt das, was Fotografen eine enge Schärfentiefe nennen, bei der nur ein schmaler Teil des Bildes scharfgestellt ist.

Eine andere Möglichkeit wäre, weitere Kameras um eine Wolke aus Strontiumatomen zu positionieren. Dies könnte mehr von dem reemittierten Licht sammeln, aber es würde mehr Fenster erfordern oder alternativ die Kameras in der Kammer anbringen, und dort ist nicht viel Platz für ein paar Kameras.

Die Lösung tauchte auf, sagte Schwartzman, während einer Brainstorming-Sitzung im Labor. Während sie Ideen herumschlugen, kam dem Mitarbeiter-Wissenschaftler Joe Frisch die Idee von Spiegeln.

„Was Sie tun können, ist, das Licht, das von der Wolke weggeht, zurück in das Kameraobjektiv zu reflektieren“, sagte Cheong. Infolgedessen kann eine Kamera nicht nur viel mehr Licht sammeln, sondern auch mehr Ansichten eines Objekts aus verschiedenen Winkeln, die auf dem Rohfoto jeweils als deutlicher Fleck auf schwarzem Hintergrund erscheinen. Das Team erkannte, dass diese Sammlung unterschiedlicher Bilder bedeutete, dass sie eine Form der sogenannten „Lichtfeld-Bildgebung“ entwickelt hatten und möglicherweise in der Lage waren, ein dreidimensionales Modell der Atomwolke zu rekonstruieren, nicht nur ein zweidimensionales Bild.

3D-Druck eine Idee

Mit Unterstützung durch ein Stipendium für laborgeleitete Forschung und Entwicklung nahmen Cheong und Safdari die Spiegelidee auf und setzten sie um, indem sie eine Reihe winziger Spiegel entwarfen, die Licht von überall um eine Atomwolke zurück zu einer Kamera umleiten konnten. Mit einer von Kagan und Vandegar entwickelten Algebra- und Raytracing-Software berechnete das Team genau die richtigen Positionen und Winkel, die es dem Spiegel ermöglichen würden, viele verschiedene Bilder der Wolke auf der Kamera scharf zu halten. Das Team entwickelte auch Computer-Vision- und künstliche Intelligenzalgorithmen, um die 2D-Bilder zur Durchführung einer 3D-Rekonstruktion zu verwenden.

Das mag im Nachhinein offensichtlich erscheinen, aber es brauchte viel Überlegung, um es zu erreichen, sagte Schwartzman. „Als wir zum ersten Mal darauf kamen, dachten wir: ‚Die Leute müssen das schon einmal gemacht haben’“, sagte er, aber tatsächlich ist es neu genug, dass die Gruppe ein Patent auf das Gerät beantragt hat.

Um die Idee zu testen, erstellten Cheong und Safdari ein Mock-up mit einem 3D-gedruckten Gerüst, das die Spiegel hält, und stellten dann ein mikro-3D-gedrucktes fluoreszierendes Objekt her, das „DOE“ buchstabiert, wenn es aus verschiedenen Blickwinkeln betrachtet wird. Sie fotografierten das Objekt mit ihrer Spiegelkuppel und zeigten, dass sie tatsächlich Licht aus verschiedenen Winkeln sammeln und alle Bilder im Fokus halten konnten. Darüber hinaus war ihre 3D-Rekonstruktion so genau, dass sie einen kleinen Fehler in der Herstellung des „DOE“-Objekts aufdeckte – einen leicht nach unten gebogenen Arm des „E“.

Der nächste Schritt, sagten die Forscher, besteht darin, eine neue Version zu bauen, um die Idee in einem kleineren Atominterferometer in Stanford zu testen, das die ersten 3D-Bilder von Atomwolken erzeugen würde. Diese Version der Spiegelkuppel würde außerhalb der Kammer sitzen, die die Atomwolke enthält. Wenn diese Tests erfolgreich sind, würde das Team dann eine Edelstahlversion des Spiegelgerüsts bauen, die für die Vakuumbedingungen in einem Atominterferometer geeignet ist.

Schwartzman sagte, die von Cheong, Safdari und dem Rest des Teams entwickelten Ideen könnten über Physikexperimente hinaus nützlich sein. „Es ist ein neuartiges Gerät. Unsere Anwendung ist die Atominterferometrie, aber es kann auch für andere Anwendungen nützlich sein“, sagte er, wie beispielsweise die Qualitätskontrolle für die Herstellung kleiner Objekte in der Industrie.