كاشف جديد أحادي الفوتون من أسلاك متناهية الصغر فائق التوصيل يحتوي على 400,000 بكسل - عالم الفيزياء

كاشف جديد أحادي الفوتون من أسلاك متناهية الصغر فائق التوصيل يحتوي على 400,000 بكسل - عالم الفيزياء

الطابع الزمني: 16 نوفمبر 2023 الساعة 3:30 صباحًا

كاشف الفوتون الواحد
الصورة الكونية: رسم توضيحي لكيفية استخدام SNSPD الجديد، مع المزيد من التحسينات، لمراقبة الأجسام الفلكية. (مجاملة: إس كيلي/NIST/بيكسابي)

حصل باحثون في الولايات المتحدة على أعلى دقة حتى الآن في كاميرا كاشفة أحادية الفوتون ذات أسلاك متناهية الصغر (SNSPD). تم تصميم الكاميرا من قبل فريق في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) ومختبر الدفع النفاث التابع لناسا، وتوفر الكاميرا عددًا بكسل أعلى بحوالي 400 مرة من التصميمات الحديثة الأخرى، دون التضحية بأي من مزاياها.

تم عرض تقنية SNSPD لأول مرة منذ عقدين من الزمن، وقد حولت قدرتنا على التقاط الصور عند مستويات إضاءة منخفضة للغاية. وهي تتميز بمصفوفات شبكية مربعة من الأسلاك النانوية المتقاطعة المبردة إلى درجة حرارة أعلى بقليل من الصفر المطلق. يحمل كل سلك تيارًا كهربائيًا أقل بقليل من التيار الحرج الذي يتم عنده تدمير الموصلية الفائقة.

عندما يصطدم سلك نانوي بفوتون واحد، فإن الحرارة التي يمتصها ستؤدي إلى إيقاف الموصلية الفائقة مؤقتًا حتى تتبدد الطاقة. يؤدي هذا إلى تحويل التيار إلى عناصر تسخين مقاومة صغيرة موضوعة عند أقرب تقاطعات بين الأسلاك النانوية المتعامدة - كل منها متصل بخطوط القراءة المنفصلة الخاصة به. تعمل الإشارات الصادرة عن هذه القراءات كوحدات بكسل فردية، تشير إلى موقع اكتشاف كل فوتون.

يوضح قائد الفريق: "تتمتع SNSPDs ببعض الخصائص الجذابة للغاية". بخروم أوريبوف في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا. "إنها تعمل مع أي طول موجي [فوتون] يصل إلى 29 ملم (وهو أمر غير صحيح بالنسبة للعديد من تقنيات السيليكون الأخرى) وقد أثبتت كفاءة الكشف بنسبة 98٪ عند 1550 نانومتر. كما أن لديهم أيضًا قدرًا منخفضًا جدًا من عدم اليقين في أوقات وصول الفوتون (ارتعاش التوقيت) ولديهم معدلات اكتشاف كاذبة منخفضة للغاية (الأعداد المظلمة)."

قيود القرار

على الرغم من هذه المزايا، فإن الحاجة إلى أسلاك قراءة مستقلة لكل بكسل جعلت من الصعب توسيع نطاق SNSPDs لإنشاء أجهزة كشف أكبر. ويعني هذا حتى الآن أنه حتى الأجهزة ذات الدقة الأعلى تحتوي على ما يزيد قليلاً عن 1000 بكسل.

اتخذ فريق أوريبوف نهجًا مختلفًا لتصميم الكاشف، مما سمح لهم باكتشاف الفوتونات باستخدام خطوط قراءة مرتبة بالتوازي مع الأسلاك النانوية في كل صف وعمود.

يوضح أوريبوف: "بدلاً من استخدام قراءة الإشارة الكهربائية المباشرة من أجهزة الكشف، نقوم أولاً بتحويل تلك الإشارة الكهربائية إلى حرارة في خط القراءة (المولد بواسطة عنصر تسخين مقاوم) ونستخدمها لتحفيز نبضات كهربائية مضادة للانتشار في خط القراءة".

ومن خلال مقارنة أوقات وصول هذه النبضات عند كل طرف من خط القراءة، يمكن للكاميرا بعد ذلك أن تحدد بدقة المكان الذي تم فيه امتصاص الفوتون على طول السلك النانوي. بهذه الطريقة، يتم إنشاء بكسل عند النقطة التي يتقاطع فيها موقع امتصاص الفوتون المكتشف في صف واحد مع الكشف في عمود عمودي.

خطوط قراءة أقل

وعلى النقيض من التصاميم السابقة - حيث بلغ إجمالي عدد N2 كانت خطوط القراءة مطلوبة لمراقبة مجموعة من الأسلاك النانوية N×N، ويمكن لهذا التصميم الجديد إنشاء صور أحادية الفوتون باستخدام خطوط قراءة 2N فقط.

وكما يصف أوريبوف، فإن هذا التحسين سيجعل من السهل جدًا على الفريق تحسين الدقة في تصميمهم. ويقول: "لقد أظهرنا أنه يمكننا بالفعل التوسع في عدد كبير من البكسلات دون التضحية بخصائص أخرى مثل حساسية الفوتون الواحد، وعدم استقرار القراءة، والعد الداكن".

وحققت أجهزتهم عددًا من البكسلات يصل إلى 400,000 بكسل، وهو ما يزيد بنحو 400 مرة عن التصميمات الحديثة الحالية. ولكن مع المزيد من التحسينات، فإنهم واثقون من إمكانية زيادة هذا العدد. إذا تم تحقيق ذلك، فإن هذا من شأنه أن يمهد الطريق لجيل جديد من SNSPDs واسعة النطاق، مناسبة للتصوير أحادي الفوتون عبر نطاق واسع من الطيف الكهرومغناطيسي.

وبالفعل، يتصور أوريبوف مجموعة متنوعة من الاحتمالات للتكنولوجيا الجديدة: من تقنيات علم الفلك المحسنة لدراسة المادة المظلمة ورسم خرائط الكون المبكر، إلى فرص جديدة للاتصالات الكمومية والتصوير الطبي.

ويقول: "يبدو أن هذه النتيجة قد جذبت انتباه عدد قليل من علماء الفيزياء الفلكية وأخصائيي التصوير الطبي الحيوي، وجميعهم مهتمون بالتعاون وصنع أدوات تصوير أفضل". "إنها بالتأكيد لحظة مثيرة لكل من فريقنا وزملائنا في مجال أبحاث SNSPD بشكل عام."

تم وصف الكاشف الجديد في الطبيعة.

الطابع الزمني:

اكثر من عالم الفيزياء