คุณถ่ายภาพเมฆอะตอมได้ดีขึ้นอย่างไร กระจกเงา – กระจกจำนวนมาก

เมื่อเข้าสู่โลกออนไลน์ การ ทดลอง MAGIS-100 ที่ห้องปฏิบัติการเร่งความเร็วแห่งชาติ Fermi ของกระทรวงพลังงานและผู้สืบทอดจะสำรวจธรรมชาติของคลื่นโน้มถ่วงและค้นหาสสารมืดคล้ายคลื่นบางชนิด แต่ก่อนอื่น นักวิจัยจำเป็นต้องค้นหาบางสิ่งที่ค่อนข้างพื้นฐาน นั่นคือวิธีถ่ายภาพเมฆอะตอมที่ดีซึ่งเป็นหัวใจของการทดลอง

นักวิจัยจาก SLAC National Accelerator Laboratory ของ Department of Energy ตระหนักดีว่าภารกิจนี้อาจเป็นการออกกำลังกายขั้นสุดท้ายในการถ่ายภาพที่มีแสงน้อยเป็นพิเศษ

แต่ทีม SLAC ที่รวมนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ Stanford Sanha Cheong และ Murtaza Safdari, ศาสตราจารย์ SLAC Ariel Schwartzman และนักวิทยาศาสตร์ของ SLAC Michael Kagan, Sean Gasiorowski, Maxime Vandegar และ Joseph Frish ค้นพบวิธีง่ายๆ: กระจก การจัดกระจกให้มีลักษณะเหมือนโดมรอบๆ วัตถุ จะสามารถสะท้อนแสงมายังกล้องได้มากขึ้น และแสดงภาพหลายด้านของวัตถุได้พร้อมๆ กัน

และทีมงานรายงานใน Journal of Instrumentation มีประโยชน์เพิ่มเติม เนื่องจากตอนนี้กล้องรวบรวมมุมมองของวัตถุที่ถ่ายจากมุมต่างๆ มากมาย ระบบจึงเป็นตัวอย่างของ “การถ่ายภาพในสนามแสง” ซึ่งไม่เพียงแต่จับความเข้มของแสงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงทิศทางที่แสงเดินทางด้วย ด้วยเหตุนี้ ระบบกระจกเงาจึงสามารถช่วยให้นักวิจัยสร้างแบบจำลองสามมิติของวัตถุ เช่น เมฆอะตอมได้

ภาพวาดการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วยของการประกอบกระจกต้นแบบ ระบบเปลี่ยนเส้นทางแสงจากมุมต่างๆ มากมายไปยังกล้องตัวเดียว ซึ่งเป็นตัวอย่างของการถ่ายภาพในสนามแสงที่ช่วยให้นักวิจัยสร้างแบบจำลองสามมิติของวัตถุที่ถ่ายภาพขึ้นมาใหม่ได้ (มารยาท Sanha Cheong/มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด)

“เรากำลังพัฒนาการถ่ายภาพในการทดลองเช่น MAGIS-100 ไปสู่กระบวนทัศน์การถ่ายภาพใหม่ล่าสุดด้วยระบบนี้” Safdari กล่าว

ความท้าทายในการถ่ายภาพที่ไม่ธรรมดา

Atomic Gradiometer Interferometric Sensor หรือ MAGIS-100 ความยาว 100 เมตร เป็นการทดลองรูปแบบใหม่ที่ติดตั้งในเพลาแนวตั้งที่ห้องปฏิบัติการ Fermi National Accelerator ของ DOE เครื่องวัดระยะอะตอมที่รู้จักกันจะใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ควอนตัมเพื่อตรวจจับคลื่นผ่านของสสารมืดที่เบามากและอะตอมสตรอนเทียมที่ตกลงมาอย่างอิสระ

ผู้ทดลองจะปล่อยเมฆของอะตอมสตรอนเทียมในหลอดสุญญากาศที่ไหลไปตามความยาวของเพลา แล้วฉายแสงเลเซอร์บนเมฆที่ตกลงมาอย่างอิสระ อะตอมของสตรอนเทียมแต่ละอะตอมทำหน้าที่เหมือนคลื่น และแสงเลเซอร์จะส่งคลื่นปรมาณูเหล่านี้แต่ละอันไปสู่สถานะควอนตัมทับซ้อน ซึ่งหนึ่งในนั้นยังคงอยู่บนเส้นทางเดิมในขณะที่อีกอันหนึ่งพุ่งสูงขึ้นมาก

เมื่อรวมกันใหม่ คลื่นจะสร้างรูปแบบการรบกวนในคลื่นอะตอมสตรอนเทียม คล้ายกับรูปแบบที่ซับซ้อนของระลอกคลื่นที่โผล่ออกมาหลังจากกระโดดหินบนสระน้ำ รูปแบบการรบกวนนี้ไวต่อสิ่งใดๆ ที่เปลี่ยนระยะห่างสัมพัทธ์ระหว่างคู่คลื่นควอนตัมหรือคุณสมบัติภายในของอะตอม ซึ่งอาจได้รับอิทธิพลจากการมีอยู่ของสสารมืด

ในการดูรูปแบบการรบกวน นักวิจัยจะถ่ายภาพกลุ่มเมฆของอะตอมสตรอนเทียม ซึ่งมาพร้อมกับความท้าทายหลายประการ เมฆสตรอนเทียมมีขนาดเล็ก มีความกว้างประมาณหนึ่งมิลลิเมตร และรายละเอียดที่นักวิจัยจำเป็นต้องดูมีขนาดประมาณหนึ่งในสิบของมิลลิเมตร ตัวกล้องเองต้องนั่งนอกห้องและมองผ่านหน้าต่างเป็นระยะทางค่อนข้างยาวเพื่อดูเมฆสตรอนเทียมภายใน

แต่ปัญหาที่แท้จริงคือความเบา เพื่อให้เมฆสตรอนเทียมสว่างขึ้น ผู้ทดลองจะฉายแสงเลเซอร์บนก้อนเมฆ อย่างไรก็ตาม หากแสงเลเซอร์รุนแรงเกินไป ก็สามารถทำลายรายละเอียดที่นักวิทยาศาสตร์ต้องการเห็นได้ หากแสงไม่เข้มเพียงพอ แสงจากก้อนเมฆจะสลัวเกินกว่าที่กล้องจะมองเห็น

“คุณจะเก็บสะสมแสงได้มากเท่าเลนส์ที่ตกลงมา” Safdari กล่าว “ซึ่งมีไม่มาก”

กระจกช่วยชีวิต

แนวคิดหนึ่งคือการใช้รูรับแสงกว้างหรือช่องเปิดเพื่อให้แสงเข้ามาในกล้องมากขึ้น แต่มีข้อเสียคือ รูรับแสงกว้างจะสร้างสิ่งที่ช่างภาพเรียกว่าระยะชัดลึกที่แคบ โดยมีเพียงส่วนที่แคบของภาพอยู่ในโฟกัส

นักวิจัยของ SLAC ได้ทดสอบต้นแบบที่เสร็จสมบูรณ์แล้วในห้องปฏิบัติการโดยใช้วัตถุที่พิมพ์ 3 มิติขนาดเล็ก ซึ่งมองเห็นได้ในภาพด้านบนตรงจุดตัดของสายไฟเล็กๆ สองเส้น (มารยาท Sanha Cheong/มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด)

ความเป็นไปได้อีกประการหนึ่งคือการวางตำแหน่งกล้องให้มากขึ้นรอบเมฆของอะตอมสตรอนเทียม สิ่งนี้สามารถรวบรวมแสงที่ส่งกลับเข้ามาได้มากขึ้น แต่จะต้องใช้หน้าต่างมากกว่านี้หรือติดตั้งกล้องให้พอดีในห้อง และไม่มีที่ว่างเพียงพอสำหรับกล้องจำนวนมาก

วิธีแก้ปัญหาปรากฏขึ้น Schwartzman กล่าวในระหว่างการระดมความคิดในห้องแล็บ ขณะที่พวกเขากำลังเปลี่ยนความคิดไปมา ทีมงานนักวิทยาศาสตร์ Joe Frisch ได้คิดค้นแนวคิดเรื่องกระจกขึ้น

“สิ่งที่คุณทำได้คือสะท้อนแสงที่เดินทางจากก้อนเมฆกลับเข้าไปในเลนส์กล้อง” Cheong กล่าว ด้วยเหตุนี้ กล้องจึงสามารถรวบรวมแสงได้มากขึ้นเท่านั้น แต่ยังรวมถึงมุมมองของวัตถุจากมุมต่างๆ ได้มากขึ้น ซึ่งแต่ละภาพจะแสดงขึ้นบนภาพถ่ายดิบเป็นจุดที่ชัดเจนบนพื้นหลังสีดำ ทีมงานได้รวบรวมภาพที่แตกต่างกันออกไป หมายความว่าพวกเขาได้คิดค้นรูปแบบที่เรียกว่า ‘การถ่ายภาพสนามแสง’ และอาจสามารถสร้างแบบจำลองสามมิติของเมฆอะตอมได้ ไม่ใช่แค่ภาพสองมิติ

การพิมพ์ 3 มิติไอเดีย

ด้วยการสนับสนุนจากทุนวิจัยและพัฒนาโดยตรงในห้องปฏิบัติการ Cheong และ Safdari ได้นำแนวคิดเรื่องกระจกมาใช้และวิ่งไปกับมัน โดยออกแบบกระจกขนาดเล็กจำนวนหนึ่งที่สามารถเปลี่ยนทิศทางแสงจากรอบๆ เมฆอะตอมกลับไปยังกล้องได้ ด้วยการใช้ซอฟต์แวร์พีชคณิตและการติดตามรังสีที่พัฒนาขึ้นโดย Kagan และ Vandegar ทีมงานได้คำนวณเฉพาะตำแหน่งและมุมที่เหมาะสม ซึ่งจะทำให้กระจกสามารถเก็บภาพต่างๆ ของเมฆไว้ในโฟกัสที่กล้องได้ ทีมงานยังได้พัฒนาคอมพิวเตอร์วิทัศน์และอัลกอริธึมปัญญาประดิษฐ์เพื่อใช้ภาพ 2 มิติเพื่อสร้าง 3 มิติขึ้นมาใหม่

เป็นสิ่งที่อาจดูเหมือนชัดเจนในการหวนกลับ แต่ต้องใช้ความคิดอย่างมากในการบรรลุเป้าหมาย Schwartzman กล่าว “เมื่อเราคิดเรื่องนี้ขึ้นมาครั้งแรก เราคิดว่า ‘ผู้คนต้องเคยทำสิ่งนี้มาก่อน’” เขากล่าว แต่ในความเป็นจริง เป็นเรื่องแปลกใหม่เพียงพอที่ทางกลุ่มได้ยื่นขอจดสิทธิบัตรบนอุปกรณ์

เพื่อทดสอบแนวคิด Cheong และ Safdari ได้สร้างแบบจำลองด้วยโครงนั่งร้านแบบพิมพ์ 3 มิติที่ถือกระจก จากนั้นจึงประดิษฐ์วัตถุเรืองแสงแบบไมโคร 3 มิติที่สะกดคำว่า “DOE” เมื่อมองจากมุมต่างๆ พวกเขาถ่ายภาพวัตถุด้วยโดมกระจกและแสดงให้เห็นว่าในความเป็นจริง พวกเขาสามารถรวบรวมแสงจากมุมต่างๆ มากมายและเก็บภาพทั้งหมดไว้ในโฟกัส ยิ่งไปกว่านั้น การสร้าง 3D ใหม่นั้นแม่นยำมากจนเผยให้เห็นข้อบกพร่องเล็กๆ ในการสร้างวัตถุ “DOE” ซึ่งเป็นแขนของ “E” ที่ก้มลงเล็กน้อย

ขั้นตอนต่อไป นักวิจัยกล่าวว่า การสร้างเวอร์ชันใหม่เพื่อทดสอบแนวคิดนี้ในเครื่องวัดระยะอะตอมขนาดเล็กที่สแตนฟอร์ด ซึ่งจะผลิตภาพ 3 มิติแรกของเมฆอะตอม โดมกระจกรุ่นนั้นจะนั่งอยู่นอกห้องที่มีเมฆอะตอม ดังนั้นหากการทดสอบเหล่านี้ประสบความสำเร็จ ทีมงานจะสร้างโครงนั่งร้านกระจกรุ่นสเตนเลสสตีลที่เหมาะสมกับสภาวะสูญญากาศภายในเครื่องวัดระยะอะตอม

Schwartzman กล่าวว่าแนวคิดของ Cheong, Safdari และทีมอื่น ๆ ที่พัฒนาขึ้นอาจมีประโยชน์มากกว่าการทดลองทางฟิสิกส์ “มันเป็นอุปกรณ์ใหม่ แอปพลิเคชันของเราคือ atom interferometry แต่อาจมีประโยชน์ในการใช้งานอื่นๆ” เขากล่าว เช่น การควบคุมคุณภาพสำหรับการผลิตวัตถุขนาดเล็กในอุตสาหกรรม

การวิจัยได้รับการสนับสนุนโดยกรมพลังงาน โครงการวิจัยและพัฒนาทางห้องปฏิบัติการ MAGIS-100 ได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิ Gordon and Betty Moore และสำนักงานวิทยาศาสตร์ของ DOE

อ้างอิง: Sanha Cheong et al., Journal of Instrumentation, 18 สิงหาคม 2022 ( 10.1088/1748-0221/17/08/P08021 )

หน้าแรก