El nuevo detector superconductor de nanocables monofotónico tiene 400,000 píxeles – Physics World

Investigadores de EE. UU. han afirmado que la resolución más alta hasta la fecha en una cámara con detector de fotón único de nanocables superconductores (SNSPD) es la más alta. Diseñada por un equipo del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, la cámara ofrece un número de píxeles unas 400 veces mayor que otros diseños de última generación, sin sacrificar ninguna de sus ventajas.

Demostrados por primera vez hace dos décadas, los SNSPD han transformado nuestra capacidad para capturar imágenes con niveles de luz extremadamente bajos. Presentan conjuntos de cuadrículas cuadradas de nanocables que se cruzan y que se enfrían justo por encima del cero absoluto. Cada cable transporta una corriente eléctrica justo por debajo de la corriente crítica en la que se destruye la superconductividad.

Cuando un solo fotón golpea un nanocables, el calor que absorbe apagará temporalmente la superconductividad hasta que la energía se haya disipado. Esto hace que la corriente se desvíe hacia pequeños elementos calefactores resistivos ubicados en las intersecciones más cercanas entre nanocables perpendiculares, cada uno de ellos conectado a sus propias líneas de lectura separadas. Las señales de estas lecturas actúan como píxeles individuales, indicando la ubicación de detección de cada fotón.

"Los SNSPD tienen algunas características muy atractivas", explica el líder del equipo Bakhrom Oripov en el NIST. “Funcionan para cualquier longitud de onda [de fotones] hasta 29 mm (lo que no ocurre con muchas otras tecnologías de silicio) y han demostrado eficiencias de detección del 98 % a 1550 nm. También tienen incertidumbres muy bajas en los tiempos de llegada de los fotones (jitter de tiempo) y tienen tasas de detección falsa extremadamente bajas (recuentos oscuros)”.

Limitaciones de Resolución

A pesar de estas ventajas, la necesidad de cables de lectura independientes para cada píxel ha dificultado la ampliación de los SNSPD para crear detectores más grandes. Hasta ahora esto significa que incluso los dispositivos de mayor resolución tienen poco más de 1000 píxeles.

El equipo de Oripov adoptó un enfoque diferente para el diseño del detector y esto les permitió detectar fotones utilizando líneas de lectura dispuestas paralelas a los nanocables en cada fila y columna.

"En lugar de utilizar la lectura directa de señales eléctricas de los detectores, primero transducimos esa señal eléctrica en calor en la línea de lectura (generada por un elemento calefactor resistivo) y la utilizamos para activar impulsos eléctricos que se contrapropagan en la línea de lectura", explica Oripov.

Al comparar los tiempos de llegada de estos pulsos en cada extremo de una línea de lectura, la cámara puede determinar con precisión en qué parte del nanocable se absorbió el fotón. De esta manera, se genera un píxel en el punto donde el sitio de absorción de fotones detectado en una fila se cruza con una detección en una columna perpendicular.

Menos líneas de lectura

A diferencia de diseños anteriores, donde en total N² Se requirieron líneas de lectura para monitorear una serie de nanocables N × N; este nuevo diseño puede crear imágenes de fotón único con solo 2N líneas de lectura.

Como describe Oripov, esta mejora hará que sea mucho más fácil para el equipo mejorar la resolución en su diseño. "Demostramos que podemos escalar a una gran cantidad de píxeles sin sacrificar otras propiedades como la sensibilidad de fotón único, la fluctuación de lectura y el recuento de oscuridad", afirma.

Un nuevo detector de fotones acelera la distribución de claves cuánticas

Su dispositivo alcanzó un número de píxeles de 400,000, unas 400 veces más que los diseños de última generación existentes. Pero con más mejoras, confían en que este número podría aumentar. Si se logra, esto allanaría el camino para una nueva generación de SNSPD a gran escala, adecuados para obtener imágenes de fotón único en una amplia banda del espectro electromagnético.

Oripov ya prevé una amplia gama de posibilidades para la nueva tecnología: desde técnicas astronómicas mejoradas para investigar la materia oscura y mapear el universo primitivo, hasta nuevas oportunidades para comunicaciones cuánticas e imágenes médicas.

"Parece que con este resultado llamamos la atención de algunos astrofísicos y especialistas en imágenes biomédicas, todos interesados ​​en colaborar y crear mejores herramientas de imágenes", dice. "Sin duda, es un momento emocionante tanto para nuestro equipo como para nuestros colegas en el campo de la investigación del SNSPD en general".

El nuevo detector se describe en Naturaleza.

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