Uma equipe de pesquisadores acaba de demonstrar um aprimoramento quântico em uma máquina de raios-X real, alcançando o objetivo desejável de eliminar o ruído de fundo para detecção precisa.
As relações entre pares de fótons em escalas quânticas podem ser exploradas para criar imagens mais nítidas e de alta resolução do que a óptica clássica. Esse campo emergente é chamado de imagem quântica e tem um potencial realmente impressionante – principalmente porque, usando a luz óptica, pode ser usado para mostrar objetos que geralmente não podem ser vistos, como ossos e órgãos.
A correlação quântica descreve várias relações diferentes entre pares de fótons. O emaranhamento é um desses, e é aplicado em imagens quânticas ópticas.
Mas os desafios técnicos de gerar fótons emaranhados em comprimentos de onda de raios-X são consideravelmente maiores que os da luz óptica, portanto, na construção de seus raios-x quânticos, a equipe adotou uma abordagem diferente.
Eles usaram uma técnica chamada iluminação quântica para minimizar o ruído de fundo. Geralmente, isso usa fótons emaranhados, mas correlações mais fracas também funcionam. Usando um processo chamado conversão paramétrica descendente (PDC), os pesquisadores dividiram um fóton de alta energia – ou “bomba” – em dois fótons de menor energia, chamados fóton de sinal e fóton intermediário.
“O PDC de raios-X foi demonstrado por vários autores, e a aplicação do efeito como fonte de imagem fantasma foi demonstrada recentemente”, escrevem os pesquisadores em seu artigo.
“No entanto, em todas as publicações anteriores, as estatísticas de fótons não foram medidas. Essencialmente, até o momento, não há evidências experimentais de que os fótons, gerados pelo PDC de raios-X, exibam estatísticas de estados quânticos de radiação. Da mesma forma, observações de a sensibilidade quântica aprimorada da medição nunca foi relatada nos comprimentos de onda dos raios X. “
Os pesquisadores alcançaram seu PDC de raios-X com um cristal de diamante. A estrutura não-linear do cristal divide um feixe de fótons de raios-X da bomba em feixes de sinais e roldanas, cada um com metade da energia do feixe da bomba.
Normalmente, esse processo é muito ineficiente usando raios-X, então a equipe aumentou o poder. Usando o síncrotron SPring-8 no Japão, eles dispararam um feixe de raios X de 22 KeV em seu cristal, que se dividiu em dois feixes, cada um carregando 11 KeV.
O feixe de sinal é enviado em direção ao objeto a ser fotografado – no caso desta pesquisa, um pequeno pedaço de metal com três fendas – com um detector do outro lado. O feixe intermediário é enviado diretamente para um detector diferente. Isso é configurado para que cada feixe atinja seu respectivo detector no mesmo local e ao mesmo tempo.
“A perfeita relação tempo-energia que observamos poderia significar apenas que os dois fótons estavam correlacionados quânticos”, disse o físico Sason Sofer, da Universidade Bar-Ilan, em Israel.
Para o próximo passo, os pesquisadores compararam suas detecções. Havia apenas cerca de 100 fótons correlacionados por ponto na imagem e cerca de 10.000 mais fótons de fundo. Mas os pesquisadores conseguiram associar cada ocioso a um sinal, para que pudessem realmente dizer quais fótons na imagem eram do feixe, separando assim facilmente o ruído de fundo.
Eles então compararam essas imagens às imagens obtidas usando fótons regulares e não correlacionados – e os fótons correlatos produziram claramente uma imagem muito mais nítida.
Ainda é cedo, mas é definitivamente um passo na direção certa para o que poderia ser uma ferramenta muito interessante. As imagens de raios X quânticos podem ter vários usos fora do alcance da atual tecnologia de raios-X.
Uma promessa é que poderia diminuir a quantidade de radiação necessária para a radiografia. Isso significa que amostras facilmente danificadas por raios-X podem ser fotografadas ou amostras que requerem baixas temperaturas; menos radiação significaria menos calor. Também poderia permitir que os físicos radiografassem núcleos atômicos para ver o que havia dentro.
Obviamente, como esses raios-X quânticos exigem um acelerador de partículas incondicional, as aplicações médicas estão atualmente fora de questão. A equipe demonstrou que isso pode ser feito, mas diminuir a escala será complicado.
Atualmente, determinar se os fótons estão emaranhados é o próximo passo. Isso exigiria que a chegada dos fótons aos detectores fosse medida em escalas de um segundo, o que está além da nossa tecnologia atual.
Ainda assim, esta é uma conquista bastante surpreendente.
“Demonstramos a capacidade de utilizar as fortes correlações tempo-energia dos pares de fótons para a fotodetecção aprimorada quântica. O procedimento que apresentamos possui grande potencial para melhorar o desempenho das medições de raios-X”, escrevem os pesquisadores.
“Prevemos que este trabalho abrirá caminho para esquemas de detecção de regime de raios-x com melhor quantum, incluindo a área de difração e espectroscopia”.
Veja o texto publicado na Revista Physical Review com o artigo científico:
Apresentamos a primeira demonstração experimental de detecção quântica aprimorada em comprimentos de onda de raios-X.
Mostramos que pares de raios-x gerados por conversão espontânea podem ser usados ??para a geração de fótons de raios-x anunciados e medimos diretamente as estatísticas sub-Poissonianas dos fótons únicos usando detectores de resolução de número de fótons. Utilizamos as propriedades das fortes correlações tempo-energia dos fótons convertidos para baixo para demonstrar a capacidade de melhorar a visibilidade e a relação sinal / ruído de uma imagem com um pequeno número de fótons em um ambiente com um nível de ruído que é maior que o sinal em muitas ordens de magnitude.
Um objetivo a longo prazo deste trabalho é demonstrar o emaranhamento de fótons de raios-X. No entanto, dados os desafios técnicos, que são muito maiores do que no regime visível, damos um primeiro passo na demonstração de correlações não-clássicas (sub-Poisson) de fótons.
Em nosso trabalho, demonstramos um novo protocolo para a medição de efeitos quânticos com raios-x, utilizando vantagens como medições sem fundo que o regime de raios-x oferece para experimentos visando testar conceitos fundamentais em óptica quântica.
PDF com o artigo científico: https://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.9.031033
Publicado em 07/09/2019
Artigos originais: https://www.sciencealert.com/physicists-have-managed-to-create-quantum-x-rays e https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.9.031033
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