Cuando esté en línea, el experimento MAGIS-100 en el Laboratorio Nacional Acelerador Fermi del Departamento de Energía y sus sucesores explorarán la naturaleza de las ondas gravitacionales y buscarán ciertos tipos de materia oscura ondulatoria. Pero primero, los investigadores deben descubrir algo bastante básico: cómo obtener buenas fotografías de las nubes de átomos en el centro de su experimento.
Los investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía se dieron cuenta de que la tarea sería quizás el último ejercicio en fotografía con luz ultrabaja.
Pero un equipo de SLAC que incluía a los estudiantes graduados de Stanford Sanha Cheong y Murtaza Safdari, el profesor de SLAC Ariel Schwartzman y los científicos de SLAC Michael Kagan, Sean Gasiorowski, Maxime Vandegar y Joseph Frish encontró una manera simple de hacerlo: espejos. Al colocar los espejos en una configuración similar a una cúpula alrededor de un objeto, pueden reflejar más luz hacia la cámara y generar imágenes de múltiples lados de un objeto simultáneamente.
Y, el equipo informa en el Revista de Instrumentación, hay un beneficio adicional. Debido a que la cámara ahora recopila vistas de un objeto tomadas desde muchos ángulos diferentes, el sistema es un ejemplo de «imágenes de campo de luz», que captura no solo la intensidad de la luz sino también la dirección en la que viajan los rayos de luz. Como resultado, el sistema de espejos puede ayudar a los investigadores a construir un modelo tridimensional de un objeto, como una nube de átomos.
«Estamos avanzando en la obtención de imágenes en experimentos como MAGIS-100 al paradigma de imágenes más nuevo con este sistema», dijo Safdari.
Un desafío fotográfico inusual
El sensor interferométrico de gradiómetro atómico de ondas de materia de 100 metros de largo, o MAGIS-100, es un nuevo tipo de experimento que se está instalando en un eje vertical en el Fermi National Accelerator Laboratory del DOE. Conocido como un interferómetro atómico, aprovechará los fenómenos cuánticos para detectar ondas pasajeras de materia oscura ultraligera y átomos de estroncio en caída libre.
Los experimentadores liberarán nubes de átomos de estroncio en un tubo de vacío que se extiende a lo largo del eje y luego iluminarán con luz láser las nubes en caída libre. Cada átomo de estroncio actúa como una onda, y la luz láser envía cada una de estas ondas atómicas a una superposición de estados cuánticos, uno de los cuales continúa en su camino original mientras que el otro es impulsado mucho más arriba.
Cuando se vuelven a combinar, las ondas crean un patrón de interferencia en la onda del átomo de estroncio, similar al patrón complejo de ondas que surge después de saltar una roca en un estanque. Este patrón de interferencia es sensible a cualquier cosa que cambie la distancia relativa entre los pares de ondas cuánticas o las propiedades internas de los átomos, que podrían estar influenciadas por la presencia de materia oscura.
Para ver los patrones de interferencia, los investigadores literalmente tomarán fotografías de una nube de átomos de estroncio, lo que conlleva una serie de desafíos. Las nubes de estroncio en sí son pequeñas, de solo un milímetro de ancho, y los detalles que los investigadores necesitan ver tienen una décima de milímetro de ancho. La cámara en sí debe sentarse fuera de una cámara y mirar a través de una ventana a una distancia relativamente larga para ver las nubes de estroncio en su interior.
Pero el verdadero problema es la luz. Para iluminar las nubes de estroncio, los experimentadores harán brillar láseres en las nubes. Sin embargo, si la luz del láser es demasiado intensa, puede destruir los detalles que los científicos quieren ver. Si no es lo suficientemente intensa, la luz de las nubes será demasiado tenue para que las cámaras la vean.
«Solo vas a recolectar tanta luz como cae sobre la lente», dijo Safdari, «que no es mucha».
Espejos al rescate
Una idea es usar una apertura amplia, o apertura, para permitir que entre más luz en la cámara, pero hay una compensación: una apertura amplia crea lo que los fotógrafos llaman una profundidad de campo estrecha, donde solo se enfoca una porción estrecha de la imagen.
Otra posibilidad sería colocar más cámaras alrededor de una nube de átomos de estroncio. Esto podría reunir más luz reemitida, pero requeriría más ventanas o, alternativamente, colocar las cámaras dentro de la cámara, y no hay mucho espacio allí para un montón de cámaras.
La solución apareció, dijo Schwartzman, durante una sesión de intercambio de ideas en el laboratorio. Mientras intercambiaban ideas, al científico Joe Frisch se le ocurrió la idea de los espejos.
«Lo que puedes hacer es reflejar la luz que se aleja de la nube hacia la lente de la cámara», dijo Cheong. Como resultado, una cámara puede captar no solo mucha más luz, sino también más vistas de un objeto desde diferentes ángulos, cada uno de los cuales aparece en la fotografía sin procesar como un punto distinto sobre un fondo negro. Esa colección de imágenes distintas, se dio cuenta el equipo, significaba que habían ideado una forma de las llamadas «imágenes de campo de luz» y podrían reconstruir un modelo tridimensional de la nube atómica, no solo una imagen bidimensional.
Impresión 3D de una idea
Con el apoyo de una subvención de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio, Cheong y Safdari tomaron la idea del espejo y la desarrollaron, diseñando una serie de pequeños espejos que podrían redirigir la luz de todo alrededor de una nube de átomos hacia una cámara. Usando un software de álgebra y trazado de rayos desarrollado por Kagan y Vandegar, el equipo calculó las posiciones y los ángulos correctos que permitirían que el espejo mantuviera muchas imágenes diferentes de la nube enfocadas en la cámara. El equipo también desarrolló algoritmos de visión por computadora e inteligencia artificial para usar las imágenes 2D para realizar la reconstrucción 3D.
Es el tipo de cosa que puede parecer obvia en retrospectiva, pero se necesitó mucho esfuerzo para lograrlo, dijo Schwartzman. «Cuando se nos ocurrió esto por primera vez, pensamos: ‘La gente debe haber hecho esto antes'», dijo, pero de hecho es lo suficientemente novedoso como para que el grupo haya solicitado una patente para el dispositivo.
Para probar la idea, Cheong y Safdari hicieron una maqueta con un andamio impreso en 3D que sostenía los espejos, luego fabricaron un objeto fluorescente impreso en micro-3D que deletrea «DOE» cuando se ve desde diferentes ángulos. Tomaron una fotografía del objeto con su cúpula de espejo y demostraron que, de hecho, podían captar la luz desde varios ángulos diferentes y mantener todas las imágenes enfocadas. Además, su reconstrucción en 3D fue tan precisa que reveló una pequeña falla en la fabricación del objeto «DOE»: un brazo de la «E» que estaba ligeramente doblado hacia abajo.
El siguiente paso, dijeron los investigadores, es construir una nueva versión para probar la idea en un interferómetro de átomos más pequeños en Stanford, que produciría las primeras imágenes en 3D de las nubes de átomos. Esa versión de la cúpula del espejo se ubicaría fuera de la cámara que contiene la nube atómica, por lo que si esas pruebas tienen éxito, el equipo construiría una versión de acero inoxidable del andamio del espejo adecuado para las condiciones de vacío dentro de un interferómetro atómico.
Schwartzman dijo que las ideas que Cheong, Safdari y el resto del equipo desarrollaron podrían ser útiles más allá de los experimentos físicos. «Es un dispositivo novedoso. Nuestra aplicación es la interferometría atómica, pero puede ser útil en otras aplicaciones», dijo, como el control de calidad para la fabricación de objetos pequeños en la industria.
La investigación fue apoyada por el Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio del Departamento de Energía. MAGIS-100 cuenta con el apoyo de la Fundación Gordon y Betty Moore y la Oficina de Ciencias del DOE.