Ny superledende nanotråd enkeltfoton-detektor har 400,000 pixels - Physics World

Ny superledende nanotråd enkeltfoton-detektor har 400,000 pixels - Physics World

Tidsstempel: 16. november 2023 kl. 3

Enkeltfoton detektor
Kosmisk billede: illustration af, hvordan den nye SNSPD med yderligere forbedringer kunne bruges til at observere astronomiske objekter. (Med høflighed: S Kelley/NIST/Pixaby)

Den højeste opløsning til dato i et superledende nanowire single-photon detector (SNPD) kamera er blevet hævdet af forskere i USA. Designet af et team ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og NASA's Jet Propulsion Laboratory, tilbyder kameraet et pixelantal, der er omkring 400 gange højere end andre avancerede designs, uden at ofre nogen af ​​deres fordele.

Først demonstreret for to årtier siden, har SNSPD'er transformeret vores evne til at tage billeder ved ekstremt lave lysniveauer. De har kvadratiske gitterarrays af krydsende nanotråde, der er afkølet til lige over det absolutte nulpunkt. Hver ledning fører en elektrisk strøm lige under den kritiske strøm, ved hvilken superledning ødelægges.

Når en nanotråd rammes af en enkelt foton, vil varmen, den absorberer, midlertidigt lukke ned for superledning, indtil energien er forsvundet. Dette får strømmen til at blive shuntet til små resistive varmeelementer placeret ved de nærmeste skæringspunkter mellem vinkelrette nanotråde - hver forbundet til deres egne separate udlæsningslinjer. Signalerne fra disse udlæsninger fungerer som individuelle pixels, der angiver hver fotons detekteringsplacering.

"SNPD'er har nogle meget tiltalende egenskaber," forklarer teamleder Bakhrom Oripov hos NIST. "De fungerer for enhver [foton] bølgelængde op til 29 mm (ikke sandt for mange andre siliciumteknologier) og har demonstreret detektionseffektiviteter på 98% ved 1550 nm. De har også meget lave usikkerheder i fotonernes ankomsttider (timing-jitter) og har ekstremt lave falske detektionsrater (mørketal).

Opløsningsbegrænsninger

På trods af disse fordele har behovet for uafhængige udlæsningsledninger for hver pixel gjort det vanskeligt at opskalere SNSPD'er for at skabe større detektorer. Indtil videre har det betydet, at selv de højeste opløsningsenheder har lidt mere end 1000 pixels.

Oripovs team tog en anden tilgang til detektordesign, og dette gjorde det muligt for dem at detektere fotoner ved hjælp af udlæsningslinjer arrangeret parallelt med nanotrådene i hver række og kolonne.

"I stedet for at bruge direkte elektrisk signaludlæsning fra detektorer, transducerer vi først det elektriske signal til varme i udlæsningslinjen (genereret af et resistivt varmeelement) og bruger det til at udløse mod-udbredende elektriske impulser i udlæsningslinjen," forklarer Oripov.

Ved at sammenligne ankomsttiderne for disse impulser i hver ende af en udlæsningslinje kan kameraet så præcist lokalisere, hvor langs nanotråden fotonen blev absorberet. På denne måde genereres en pixel på det punkt, hvor fotonabsorptionsstedet detekteret i en række skærer en detektion i en vinkelret søjle.

Færre udlæsningslinjer

I modsætning til tidligere designs – hvor i alt N2 udlæsningslinjer var påkrævet for at overvåge en række N×N nanotråde – dette nye design kan opbygge enkeltfotonbilleder med kun 2N udlæsningslinjer.

Som Oripov beskriver, vil denne forbedring gøre det meget nemmere for teamet at forbedre opløsningen i deres design. "Vi viste, at vi faktisk kan skalere til et stort antal pixels uden at ofre andre egenskaber såsom enkeltfotonfølsomhed, udlæsningsjitter og mørketal," siger han.

Deres enhed opnåede et pixelantal på 400,000 – omkring 400 gange højere end eksisterende state-of-the-art designs. Men med yderligere forbedringer er de overbeviste om, at dette tal kan øges. Hvis det opnås, vil dette bane vejen for en ny generation af SNSPD'er i stor skala, velegnet til enkeltfoton-billeddannelse over et bredt bånd af det elektromagnetiske spektrum.

Allerede nu forudser Oripov en bred vifte af muligheder for den nye teknologi: fra forbedrede astronomiteknikker til at undersøge mørkt stof og kortlægge det tidlige univers til nye muligheder for kvantekommunikation og medicinsk billeddannelse.

"Det ser ud til, at vi med dette resultat fik opmærksomhed fra nogle få astrofysikere og biomedicinske billeddannende mennesker, alle interesserede i at samarbejde og lave bedre billedværktøjer," siger han. "Det er bestemt et spændende øjeblik både for vores team og vores kolleger inden for SNSPD-forskning generelt."

Den nye detektor er beskrevet i Natur.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden