Investigadores de la Universidad de Colorado Boulder han desarrollado una especie de cronómetro cuántico, un instrumento óptico ultrarrápido especial llamado «lente temporal», que permite medir la presencia de fotones con una precisión cien veces mayor que los medios tradicionales de contar fotones individuales relacionados con tiempo (TCSPC).
Esta innovación traería mejoras significativas a las tecnologías de imagen, incluidas las relacionadas con la rama médica de la radiología, que permiten observar un área de un organismo que no es visible desde el exterior. La investigación se ha publicado recientemente en la revista Optica.
Según una nota de prensa, la nueva tecnología utiliza las técnicas TCSPC pero las lleva a un nuevo nivel: logra medir la llegada de fotones con una precisión que es más de 100 veces superior a la obtenida con las herramientas existentes en la actualidad. ¿Cómo funciona la técnica de base y cuál es el agregado del nuevo enfoque?
La tecnología de recuento de fotones individuales correlacionados en el tiempo (TCSPC) data de 1960, y ha revolucionado la forma en que logramos ver el mundo. Se aplican en ámbitos tan diversos como la confección de mapas geológicos o la obtención de imágenes médicas, vitales por ejemplo para obtener diagnósticos certeros de enfermedades como el cáncer o las patologías neurológicas.
Cada fotón al detalle
Básicamente, se trata de iluminar con una luz láser una muestra determinada, como por ejemplo proteínas individuales o un área geológica a estudiar, para luego registrar y medir los fotones que rebotan sobre el objeto analizado. Una mayor precisión en el registro y recuento de fotones permitirá obtener más características del objeto y definirlo mejor.
Los fotones son pequeños paquetes de energía que componen la luz: al analizarlos individualmente, es posible acercarse a características específicas de un objeto que se «pierden de vista» cuando lo vemos en su totalidad. En otras palabras, nos permiten «descomponer» un elemento a estudiar y acercarnos a detalles de su estructura que no se aprecian en una visualización integrada.
Sin embargo, las técnicas TCSPC convencionales tienen una limitación: no poseen la precisión necesaria para distinguir a dos fotones cuando rebotan prácticamente al mismo tiempo o lo hacen a velocidades extremas. Aquí radica el gran avance del nuevo enfoque: al utilizar una tecnología cuántica denominada «lente del tiempo», el nuevo dispositivo puede superar esta limitación.
¿Cómo lo hace? Funciona como un microscopio, pero en vez de amplificar un objeto lo hace con la separación temporal existente entre los fotones. De esta manera, el espacio de tiempo que existe entre un fotón y otro se puede agrandar, haciendo más sencilla su identificación individual y mejorando en consecuencia la precisión de un análisis.
Evitar errores
Las diferencias más sutiles en el «rebote» de los fotones sobre un objeto y la imposibilidad de diferenciarlos no es menor, ya que puede repercutir en el resultado final de la evaluación que se está realizando sobre el elemento en cuestión. Un mínimo detalle perdido puede derivar en un diagnóstico médico confuso a partir de imágenes de un órgano que no presentan la exactitud necesaria o de moléculas que no llegan a distinguirse.
De acuerdo a los científicos, el avance plantea un nuevo campo de acción y amplias aplicaciones en áreas en las cuales se requieren imágenes de máxima precisión, como en la radiología, los análisis químicos o los estudios geográficos, entre muchos otros ejemplos.
Referencia
Time-magnified photon counting with 550-fs resolution. Bowen Li, Jan Bartos, Yijun Xie and Shu-Wei Huang. Optica (2021).DOI: https://doi.org/10.1364/OPTICA.420816
Foto: imagen de una calle de una ciudad obtenida con la tecnología TCSPC. Con la nueva herramienta cuántica, la precisión de las imágenes aumenta considerablemente. Crédito: Daniel L. Lu / Wikimedia Commons.