آشکارساز تک فوتون نانوسیم ابررسانا جدید دارای 400,000 پیکسل - دنیای فیزیک

بالاترین وضوح تصویر تا به امروز در دوربین آشکارساز نانوسیم تک فوتونی ابررسانا (SNSPD) توسط محققان آمریکایی ادعا شده است. این دوربین که توسط تیمی در موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) و آزمایشگاه پیشرانه جت ناسا طراحی شده است، تعداد پیکسل‌هایی را حدود 400 برابر بیشتر از سایر طرح‌های پیشرفته ارائه می‌کند، بدون اینکه هیچ یک از مزایای آنها را از بین ببرد.

اولین بار دو دهه پیش نشان داده شد، SNSPDها توانایی ما را برای گرفتن تصاویر در سطوح نور بسیار کم تغییر داده اند. آنها دارای آرایه های شبکه مربعی از نانوسیم های متقاطع هستند که تا بالای صفر مطلق خنک شده اند. هر سیم یک جریان الکتریکی را دقیقاً زیر جریان بحرانی حمل می کند که در آن ابررسانایی از بین می رود.

هنگامی که یک نانوسیم با یک فوتون برخورد می کند، گرمای جذب شده به طور موقت ابررسانایی را متوقف می کند تا زمانی که انرژی از بین برود. این امر باعث می شود که جریان به عناصر گرمایش مقاومتی کوچکی که در نزدیکترین تقاطع بین نانوسیم های عمود بر هم قرار دارند - که هر کدام به خطوط بازخوانی جداگانه خود متصل هستند، منتقل شود. سیگنال‌های این بازخوان‌ها به‌عنوان پیکسل‌های مجزا عمل می‌کنند و مکان تشخیص هر فوتون را نشان می‌دهند.

رهبر تیم توضیح می‌دهد: «SNSPD ویژگی‌های بسیار جذابی دارد باخرم اوریپوف در NIST آنها برای هر طول موج [فوتونی] تا 29 میلی‌متر کار می‌کنند (برای بسیاری از فناوری‌های سیلیکونی دیگر درست نیست) و بازده تشخیص 98 درصد در 1550 نانومتر را نشان داده‌اند. آنها همچنین دارای عدم قطعیت بسیار کم در زمان رسیدن فوتون (جتر زمان بندی) و نرخ تشخیص کاذب بسیار پایین (شمارش تاریکی) هستند.

محدودیت های رزولوشن

علی‌رغم این مزایا، نیاز به سیم‌های بازخوانی مستقل برای هر پیکسل، افزایش مقیاس SNSPD برای ایجاد آشکارسازهای بزرگ‌تر را دشوار کرده است. تا کنون، این بدان معناست که حتی دستگاه‌های با وضوح بالاتر نیز کمی بیش از 1000 پیکسل دارند.

تیم اوریپوف رویکرد متفاوتی را برای طراحی آشکارساز در نظر گرفت و این به آنها اجازه داد فوتون‌ها را با استفاده از خطوط بازخوانی که موازی با نانوسیم‌ها در هر سطر و ستون مرتب شده‌اند، شناسایی کنند.

اوریپوف توضیح می‌دهد: «به‌جای استفاده از بازخوانی مستقیم سیگنال الکتریکی از آشکارسازها، ابتدا آن سیگنال الکتریکی را به گرما در خط بازخوانی (تولید شده توسط یک عنصر گرمایش مقاومتی) تبدیل می‌کنیم و از آن برای تحریک پالس‌های الکتریکی ضد انتشار در خط بازخوانی استفاده می‌کنیم.

با مقایسه زمان رسیدن این پالس ها در هر انتهای یک خط بازخوانی، دوربین می تواند دقیقاً محل جذب فوتون در طول نانوسیم را مشخص کند. به این ترتیب، یک پیکسل در نقطه ای ایجاد می شود که محل جذب فوتون شناسایی شده در یک ردیف با یک تشخیص در یک ستون عمود بر هم تلاقی می کند.

خطوط بازخوانی کمتر

برخلاف طرح‌های قبلی - که در مجموع N² خطوط بازخوانی برای نظارت بر آرایه‌ای از نانوسیم‌های N×N مورد نیاز بود - این طراحی جدید می‌تواند تصاویر تک فوتون را تنها با خطوط بازخوانی ۲N بسازد.

همانطور که اوریپوف توضیح می دهد، این پیشرفت بهبود وضوح در طراحی خود را برای تیم بسیار آسان تر می کند. او می‌گوید: «ما نشان دادیم که می‌توانیم بدون از بین بردن ویژگی‌های دیگر مانند حساسیت تک فوتون، لرزش بازخوانی و شمارش تاریکی به تعداد پیکسل‌های زیادی مقیاس کنیم.

آشکارساز فوتون جدید توزیع کلید کوانتومی را تسریع می کند

دستگاه آنها به تعداد پیکسل های 400,000 دست یافت که حدود 400 برابر بیشتر از طراحی های پیشرفته موجود است. اما با بهبودهای بیشتر، آنها مطمئن هستند که این تعداد می تواند افزایش یابد. در صورت دستیابی به این امر، راه را برای نسل جدیدی از SNSPDهای مقیاس بزرگ، مناسب برای تصویربرداری تک فوتون در یک باند وسیع از طیف الکترومغناطیسی، هموار خواهد کرد.

اوریپوف در حال حاضر طیف متنوعی از امکانات را برای فناوری جدید در نظر می‌گیرد: از تکنیک‌های نجومی بهبود یافته برای بررسی ماده تاریک و نقشه‌برداری از کیهان اولیه تا فرصت‌های جدید برای ارتباطات کوانتومی و تصویربرداری پزشکی.

او می‌گوید: «به نظر می‌رسد با این نتیجه، ما توجه چند اخترفیزیک‌دان و افراد تصویربرداری زیست‌پزشکی را به خود جلب کردیم که همگی علاقه‌مند به همکاری و ساخت ابزارهای تصویربرداری بهتر بودند. "این مطمئناً یک لحظه هیجان انگیز هم برای تیم ما و هم برای همکاران ما در زمینه تحقیقات SNSPD به طور کلی است."

آشکارساز جدید در شرح داده شده است طبیعت.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/new-superconducting-nanowire-single-photon-detector-has-400000-pixels/