Ο νέος υπεραγώγιμος ανιχνευτής ενός φωτονίου νανοσύρματος έχει 400,000 pixels - Physics World

Η υψηλότερη ανάλυση μέχρι σήμερα σε μια κάμερα υπεραγώγιμου νανοσύρματος ανιχνευτή ενός φωτονίου (SNSPD) έχει ισχυριστεί από ερευνητές στις ΗΠΑ. Σχεδιασμένη από μια ομάδα του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) και του Εργαστηρίου Jet Propulsion της NASA, η κάμερα προσφέρει αριθμό pixel περίπου 400 φορές υψηλότερο από άλλα σχέδια τελευταίας τεχνολογίας, χωρίς να θυσιάζει κανένα από τα πλεονεκτήματά τους.

Τα SNSPD που αποδείχθηκαν για πρώτη φορά πριν από δύο δεκαετίες έχουν μεταμορφώσει την ικανότητά μας να καταγράφουμε εικόνες σε εξαιρετικά χαμηλά επίπεδα φωτισμού. Διαθέτουν συστοιχίες τετραγωνικού πλέγματος διασταυρούμενων νανοσυρμάτων που ψύχονται ακριβώς πάνω από το απόλυτο μηδέν. Κάθε καλώδιο μεταφέρει ένα ηλεκτρικό ρεύμα ακριβώς κάτω από το κρίσιμο ρεύμα στο οποίο καταστρέφεται η υπεραγωγιμότητα.

Όταν ένα νανοσύρμα χτυπηθεί από ένα μόνο φωτόνιο, η θερμότητα που απορροφά θα σταματήσει προσωρινά την υπεραγωγιμότητα μέχρι να διαλυθεί η ενέργεια. Αυτό προκαλεί τη διαφυγή του ρεύματος σε μικρά θερμαντικά στοιχεία με αντίσταση που είναι τοποθετημένα στις πλησιέστερες τομές μεταξύ κάθετων νανοσυρμάτων – το καθένα συνδεδεμένο με τις δικές του ξεχωριστές γραμμές ανάγνωσης. Τα σήματα από αυτές τις ενδείξεις λειτουργούν ως μεμονωμένα pixel, υποδεικνύοντας τη θέση ανίχνευσης κάθε φωτονίου.

«Τα SNSPD έχουν μερικά πολύ ελκυστικά χαρακτηριστικά», εξηγεί ο αρχηγός της ομάδας Μπαχρόμ Ορίποφ στο NIST. «Λειτουργούν για οποιοδήποτε μήκος κύματος [φωτόνιο] έως 29 mm (δεν ισχύει για πολλές άλλες τεχνολογίες πυριτίου) και έχουν επιδείξει αποτελεσματικότητα ανίχνευσης 98% στα 1550 nm. Έχουν επίσης πολύ χαμηλές αβεβαιότητες στους χρόνους άφιξης φωτονίων (χρονικό jitter) και έχουν εξαιρετικά χαμηλά ποσοστά ψευδούς ανίχνευσης (αριθμοί σκοταδιών).

Περιορισμοί ανάλυσης

Παρά αυτά τα πλεονεκτήματα, η ανάγκη για ανεξάρτητα καλώδια ανάγνωσης για κάθε pixel έχει καταστήσει δύσκολη την κλιμάκωση των SNSPD για τη δημιουργία μεγαλύτερων ανιχνευτών. Μέχρι στιγμής, αυτό σήμαινε ότι ακόμη και οι συσκευές με την υψηλότερη ανάλυση έχουν λίγο περισσότερα από 1000 pixel.

Η ομάδα του Oripov ακολούθησε μια διαφορετική προσέγγιση στο σχεδιασμό των ανιχνευτών και αυτό τους επέτρεψε να ανιχνεύσουν φωτόνια χρησιμοποιώντας γραμμές ανάγνωσης διατεταγμένες παράλληλα με τα νανοσύρματα σε κάθε σειρά και στήλη.

«Αντί να χρησιμοποιούμε άμεση ανάγνωση ηλεκτρικού σήματος από ανιχνευτές, πρώτα μετατρέπουμε αυτό το ηλεκτρικό σήμα σε θερμότητα στη γραμμή ανάγνωσης (που δημιουργείται από ένα θερμαντικό στοιχείο με αντίσταση) και το χρησιμοποιούμε για να ενεργοποιήσουμε αντι-διάδοση ηλεκτρικών παλμών στη γραμμή ανάγνωσης», εξηγεί ο Oripov.

Συγκρίνοντας τους χρόνους άφιξης αυτών των παλμών σε κάθε άκρο μιας γραμμής ανάγνωσης, η κάμερα μπορεί στη συνέχεια να εντοπίσει ακριβώς πού κατά μήκος του νανοσύρματος απορροφήθηκε το φωτόνιο. Με αυτόν τον τρόπο, δημιουργείται ένα pixel στο σημείο όπου η θέση απορρόφησης φωτονίων που ανιχνεύεται σε μία σειρά τέμνεται με μια ανίχνευση σε μια κάθετη στήλη.

Λιγότερες γραμμές ανάγνωσης

Σε αντίθεση με προηγούμενα σχέδια – όπου συνολικά Ν² Απαιτήθηκαν γραμμές ανάγνωσης για την παρακολούθηση μιας σειράς N×N νανοσυρμάτων – αυτός ο νέος σχεδιασμός μπορεί να δημιουργήσει εικόνες ενός φωτονίου με μόλις 2N γραμμές ανάγνωσης.

Όπως περιγράφει ο Oripov, αυτή η βελτίωση θα καταστήσει πολύ πιο εύκολο για την ομάδα να βελτιώσει την ανάλυση στο σχεδιασμό της. «Δείξαμε ότι μπορούμε πράγματι να κλιμακώσουμε σε μεγάλο αριθμό pixel χωρίς να θυσιάσουμε άλλες ιδιότητες όπως η ευαισθησία ενός φωτονίου, το jitter ανάγνωσης και η μέτρηση σκοταδισμού», λέει.

Νέος ανιχνευτής φωτονίων επιταχύνει τη διανομή κβαντικού κλειδιού

Η συσκευή τους πέτυχε πλήθος pixel 400,000 – περίπου 400 φορές υψηλότερο από τα υπάρχοντα σχέδια τελευταίας τεχνολογίας. Αλλά με περαιτέρω βελτιώσεις, είναι βέβαιοι ότι αυτός ο αριθμός θα μπορούσε να αυξηθεί. Εάν επιτευχθεί, αυτό θα ανοίξει το δρόμο για μια νέα γενιά SNSPD μεγάλης κλίμακας, κατάλληλων για απεικόνιση ενός φωτονίου σε μια ευρεία ζώνη του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.

Ήδη, ο Oripov οραματίζεται ένα ευρύ φάσμα δυνατοτήτων για τη νέα τεχνολογία: από βελτιωμένες τεχνικές αστρονομίας για τη διερεύνηση της σκοτεινής ύλης και τη χαρτογράφηση του πρώιμου σύμπαντος, έως τις νέες ευκαιρίες για κβαντικές επικοινωνίες και ιατρική απεικόνιση.

«Φαίνεται ότι με αυτό το αποτέλεσμα, τραβήξαμε την προσοχή μερικών αστροφυσικών και ανθρώπων βιοϊατρικής απεικόνισης, που όλοι ενδιαφέρονται να συνεργαστούν και να φτιάξουν καλύτερα εργαλεία απεικόνισης», λέει. "Αυτή είναι σίγουρα μια συναρπαστική στιγμή τόσο για την ομάδα μας όσο και για τους συναδέλφους μας στον τομέα της έρευνας SNSPD γενικά."

Ο νέος ανιχνευτής περιγράφεται στο Φύση.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/new-superconducting-nanowire-single-photon-detector-has-400000-pixels/