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Un sensore ultraveloce a fotone singolo potrebbe annunciare l’immaginografia di nuova generazione

I nuovi campi scientifici necessitano di fotocamere più veloci per catturare immagini con una risoluzione spazio-temporale più alta. Il progetto gammaCam ha realizzato un prototipo di fotocamera in grado di registrare dati con risoluzione a singolo fotone.

Tecnologie industriali

Le particelle a singolo fotone costituiscono il più piccolo elemento della luce. Essere in grado di rilevare la luce a tale livello consente di avere immagini estremamente sensibili. Ma ancora più importante è il fatto di poter misurare con precisione il momento in cui un fotone viene rilevato dopo essere stato riflesso o emesso da un oggetto, in quanto ciò consente di ottenere informazioni importanti sull’oggetto stesso. Tali informazioni sono fondamentali, ad esempio, per determinare la specificità chimica nell’acquisizione di immagini dei tempi di vita della fluorescenza. Inoltre, individuare le correlazioni spazio-temporali tra singoli fotoni apre la strada a nuovi dispositivi di immaginografia, migliorando la risoluzione delle immagini tradizionali. Il progetto gammaCam, con il supporto dell’UE, ha testato in laboratorio le capacità di due sensori d’immagine CMOS, per poi integrare uno dei sensori in un prototipo di fotocamera. Tale fotocamera è in grado di registrare i fotoni entro 200 picosecondi dal loro arrivo al rilevatore, consentendo una risoluzione eccellente. «Oltre a consolidare i traguardi tecnici raggiunti nel corso di un precedente progetto, abbiamo anche quantificato le risorse necessarie per una produzione su piccola scala, e abbiamo svolto ricerche di mercato sulle applicazioni più promettenti», afferma il coordinatore del progetto André Stefanov dell’Università di Berna, l’istituto che ha ospitato il progetto stesso.

Costruire il rilevatore ideale

Pur avendo fatto passi avanti di recente, la tecnologia per immagini si basa tuttora sul rilevamento dell’intensità media della luce a ogni pixel, entro il tempo di esposizione della fotocamera. Pertanto, le fotocamere tradizionali possono registrare solo le fluttuazioni della luce che sono più lente del tempo necessario per catturare un’immagine, normalmente in un intervallo di millisecondi. Questo aspetto è importante, in quanto il fatto di poter misurare le fluttuazioni di intensità della luce consente di ottenere preziose informazioni aggiuntive sugli oggetti in esame. «Un dispositivo ideale di immaginografia registra sia il tempo di rilevamento sia la posizione di ciascun fotone presente nel raggio di luce che illumina un oggetto», spiega Stefanov. «Queste informazioni spazio-temporali sono fondamentali per numerose tecniche di immaginografia, quali la telecamera a tempo di volo o altre immagini correlate». Esistono telecamere a tempo di volo con esposizione in nanosecondi, ma oltre a essere costose, non sono in grado di rilevare i fotoni che giungono in momenti differenti, pertanto non catturano informazioni spazio-temporali complete. GammaCam ha proseguito con lo sviluppo di due sensori progettati per immagini quantistiche nell’ambito del progetto SUPERTWIN. Tali sensori hanno utilizzato gli array di un fotorilevatore noto come «diodo fotorivelatore a singolo fotone» (SPAD), che registra il tempo di rilevamento di ciascun fotone con accuratezza al sub-nanosecondo. SuperEllen ha 32 x 32 pixel, mentre SuperAlice ne ha 224 x 272. SuperAlice è inoltre un sensore versatile, che può registrare i tempi di rilevamento del fotone, o contare semplicemente i fotoni. Per proseguire l’analisi del progetto SUPERTWIN relativa alla correlazione spaziale data dalla luce quantistica, entrambi i sensori sono stati sottoposti a test con coppie di fotoni intrecciati. «È stato entusiasmante vedere le prime misurazioni quantistiche della luce, soprattutto se si pensa che, a differenza di SuperEllen, i numerosi pixel di SuperAlice hanno consentito anche una caratterizzazione più accurata della luce quantistica mediante l’osservazione di correlazioni a lungo raggio tra fotoni», aggiunge Stefanov.

Una gamma di applicazioni

Queste serie di SPAD troveranno applicazione molto probabilmente nei microscopi avanzati, i quali saranno in grado di esaminare processi molecolari essenziali per la medicina. «I nostri sensori possono sia migliorare metodi già esistenti come la microscopia a foglio di luce, sia contribuire a sviluppare nuovi metodi e mercati. A tale scopo occorre individuare ulteriormente l’intera gamma di misurazioni esclusive consentite dai sensori», conclude Stefanov. Il prototipo di fotocamera è trasportabile, ed essendo relativamente facile da installare negli attuali sistemi ottici, può essere già utilizzato per esperimenti. Mentre SuperAlice può essere prodotto in serie dallo stesso fabbricante del prototipo LFoundry, il sensore deve essere integrato in una fotocamera di facile utilizzo affinché il prodotto possa essere commercialmente disponibile e pronto all’uso.

Parole chiave

gammaCam, fotone, sensore, immaginografia, risoluzione, CMOS, fotocamera, microscopio, luce, picosecondi

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