Neuer supraleitender Nanodraht-Einzelphotonendetektor hat 400,000 Pixel – Physics World

Die bisher höchste Auflösung einer supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonendetektor-Kamera (SNSPD) wurde von Forschern in den USA behauptet. Die Kamera wurde von einem Team des National Institute of Standards and Technology (NIST) und des Jet Propulsion Laboratory der NASA entwickelt und bietet eine etwa 400-mal höhere Pixelzahl als andere hochmoderne Designs, ohne auf deren Vorteile zu verzichten.

SNSPDs wurden erstmals vor zwei Jahrzehnten demonstriert und haben unsere Fähigkeit, Bilder bei extrem schlechten Lichtverhältnissen aufzunehmen, verändert. Sie verfügen über quadratische Gitteranordnungen aus sich kreuzenden Nanodrähten, die auf knapp über den absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Jeder Draht führt einen elektrischen Strom knapp unter dem kritischen Strom, bei dem die Supraleitung zerstört wird.

Wenn ein einzelnes Photon auf einen Nanodraht trifft, wird die Supraleitung durch die absorbierte Wärme vorübergehend unterbrochen, bis die Energie verloren gegangen ist. Dadurch wird der Strom zu kleinen Widerstandsheizelementen umgeleitet, die an den nächsten Kreuzungen zwischen senkrechten Nanodrähten positioniert sind und jeweils mit ihren eigenen separaten Ausleseleitungen verbunden sind. Die Signale dieser Auslesungen fungieren als einzelne Pixel und geben den Erkennungsort jedes Photons an.

„SNSPDs haben einige sehr attraktive Eigenschaften“, erklärt Teamleiter Bakhrom Oripov am NIST. „Sie funktionieren für jede [Photonen-]Wellenlänge bis zu 29 mm (was bei vielen anderen Siliziumtechnologien nicht der Fall ist) und haben eine Detektionseffizienz von 98 % bei 1550 nm gezeigt. Sie weisen außerdem sehr geringe Unsicherheiten hinsichtlich der Ankunftszeiten der Photonen (Timing-Jitter) und extrem niedrige Falscherkennungsraten (Dunkelzählungen) auf.“

Auflösungsbeschränkungen

Trotz dieser Vorteile hat der Bedarf an unabhängigen Auslesedrähten für jedes Pixel es schwierig gemacht, SNSPDs zu vergrößern, um größere Detektoren zu schaffen. Bisher hat dies dazu geführt, dass selbst die Geräte mit der höchsten Auflösung kaum über 1000 Pixel verfügen.

Oripovs Team verfolgte einen anderen Ansatz beim Detektordesign und ermöglichte dadurch die Detektion von Photonen mithilfe von Ausleselinien, die parallel zu den Nanodrähten in jeder Zeile und Spalte angeordnet waren.

„Anstatt die direkte elektrische Signalauslesung von Detektoren zu verwenden, wandeln wir dieses elektrische Signal zunächst in Wärme in der Ausleseleitung um (erzeugt durch ein Widerstandsheizelement) und nutzen sie, um sich gegenläufig ausbreitende elektrische Impulse in der Ausleseleitung auszulösen“, erklärt Oripov.

Durch den Vergleich der Ankunftszeiten dieser Impulse an jedem Ende einer Ausleselinie kann die Kamera dann genau bestimmen, wo entlang des Nanodrahts das Photon absorbiert wurde. Auf diese Weise wird ein Pixel an dem Punkt erzeugt, an dem sich die in einer Zeile erfasste Photonenabsorptionsstelle mit einer in einer senkrechten Spalte erfassten Stelle schneidet.

Weniger Auslesezeilen

Im Gegensatz zu früheren Designs – bei denen insgesamt N² Zur Überwachung eines Arrays von NxN-Nanodrähten waren Ausleseleitungen erforderlich – dieses neue Design kann Einzelphotonenbilder mit nur 2N Ausleseleitungen erstellen.

Wie Oripov beschreibt, wird diese Verbesserung es dem Team erheblich erleichtern, die Auflösung in seinem Design zu verbessern. „Wir haben gezeigt, dass wir tatsächlich auf eine große Anzahl von Pixeln skalieren können, ohne andere Eigenschaften wie Einzelphotonenempfindlichkeit, Auslesejitter und Dunkelzählung zu opfern“, sagt er.

Neuer Photonendetektor beschleunigt Quantenschlüsselverteilung

Ihr Gerät erreichte eine Pixelzahl von 400,000 – etwa 400-mal mehr als bestehende, hochmoderne Designs. Sie sind jedoch zuversichtlich, dass diese Zahl mit weiteren Verbesserungen erhöht werden könnte. Sollte dies gelingen, würde dies den Weg für eine neue Generation großformatiger SNSPDs ebnen, die für die Einzelphotonenbildgebung über ein breites Band des elektromagnetischen Spektrums geeignet sind.

Oripov sieht bereits vielfältige Möglichkeiten für die neue Technologie: von verbesserten astronomischen Techniken zur Untersuchung der Dunklen Materie und der Kartierung des frühen Universums bis hin zu neuen Möglichkeiten für Quantenkommunikation und medizinische Bildgebung.

„Es scheint, als hätten wir mit diesem Ergebnis die Aufmerksamkeit einiger Astrophysiker und biomedizinischer Bildgebungsexperten geweckt, die alle an einer Zusammenarbeit und der Entwicklung besserer Bildgebungswerkzeuge interessiert sind“, sagt er. „Das ist sicherlich ein aufregender Moment sowohl für unser Team als auch für unsere Kollegen im Bereich der SNSPD-Forschung im Allgemeinen.“

Der neue Detektor ist in beschrieben Natur.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/new-superconducting-nanowire-single-photon-detector-has-400000-pixels/