Uudessa suprajohtavassa nanolankaisessa yksifotonidetektorissa on 400,000 XNUMX pikseliä – Physics World

Yhdysvaltalaiset tutkijat ovat vaatineet tähän mennessä korkeimman resoluution suprajohtavassa nanolankaisessa yksifotonisen ilmaisimen (SNSPD) kamerassa. National Institute of Standards and Technologyn (NIST) ja NASAn Jet Propulsion Laboratoryn suunnitteleman kameran pikselimäärä on noin 400 kertaa suurempi kuin muissa huippuluokan rakenteissa, tinkimättä niiden eduista.

Kaksi vuosikymmentä sitten esitellyt SNSPD:t ovat muuttaneet kykyämme ottaa kuvia erittäin heikossa valaistuksessa. Niissä on neliömäisiä risteäviä nanolankoja, jotka on jäähdytetty juuri absoluuttisen nollan yläpuolelle. Jokainen lanka kuljettaa sähkövirtaa, joka on juuri sen kriittisen virran alapuolella, jossa suprajohtavuus tuhoutuu.

Kun yksi fotoni iskee nanolankaan, sen absorboima lämpö katkaisee väliaikaisesti suprajohtavuuden, kunnes energia on haihtunut. Tämä johtaa siihen, että virta ohjataan pieniin resistiivisiin lämmityselementteihin, jotka on sijoitettu kohtisuorassa olevien nanolankojen lähimpiin leikkauskohtiin, joista jokainen on kytketty omiin erillisiin lukulinjoihinsa. Näistä lukemista saadut signaalit toimivat yksittäisinä pikseleinä, jotka osoittavat kunkin fotonin tunnistuspaikan.

"SNSPD:llä on joitain erittäin houkuttelevia ominaisuuksia", tiiminvetäjä selittää Bakhrom Oripov NIST:ssä. "Ne toimivat kaikilla [fotonilla] 29 mm:n aallonpituuksilla (ei pidä paikkaansa monissa muissa piitekniikoissa) ja niiden havaitsemistehokkuus on 98 % 1550 nm:ssä. Niillä on myös erittäin alhainen epävarmuus fotonien saapumisajoissa (ajoitusvärinä) ja niillä on erittäin alhainen väärien havaitsemisprosentti (tumma määrä).

Resoluutiorajoitukset

Näistä eduista huolimatta riippumattomien lukujohtimien tarve kutakin pikseliä varten on vaikeuttanut SNSPD:iden skaalaamista suurempien ilmaisimien luomiseksi. Toistaiseksi tämä on merkinnyt sitä, että jopa korkeimman resoluution laitteissa on vähän yli 1000 pikseliä.

Oripovin tiimi otti erilaisen lähestymistavan ilmaisimen suunnitteluun, ja tämä antoi heille mahdollisuuden havaita fotonit käyttämällä lukulinjoja, jotka oli järjestetty yhdensuuntaisesti nanolankojen kanssa jokaisessa rivissä ja sarakkeessa.

"Sen sijaan, että käyttäisimme suoraa sähköisen signaalin lukemista ilmaisimista, muunnamme sähköisen signaalin ensin lämmöksi lukulinjassa (joka tuottaa resistiivinen lämmityselementti) ja käytämme sitä vastakkaisten sähköpulssien laukaisemiseen lukulinjassa", Oripov selittää.

Vertaamalla näiden pulssien saapumisaikoja lukulinjan molempiin päihin, kamera voi sitten paikantaa tarkasti, missä nanolankaa fotoni absorboitui. Tällä tavalla pikseli luodaan kohtaan, jossa yhdeltä riviltä havaittu fotoniabsorptiokohta leikkaa kohtisuorassa sarakkeessa olevan havainnon.

Vähemmän lukurivejä

Toisin kuin aikaisemmissa malleissa – joissa yhteensä N² N × N nanolankojen joukon valvontaan tarvittiin lukulinjoja – tämä uusi malli voi muodostaa yhden fotonin kuvia vain 2N lukuviivalla.

Kuten Oripov kuvailee, tämä parannus tekee tiimille huomattavasti helpompaa parantaa suunnittelunsa resoluutiota. "Osoitimme, että voimme todellakin skaalata suureen määrään pikseleitä uhraamatta muita ominaisuuksia, kuten yksittäisen fotonin herkkyyttä, lukeman värinää ja pimeyden määrää", hän sanoo.

Uusi fotonidetektori nopeuttaa kvanttiavaimen jakautumista

Heidän laitteensa pikselimäärä oli 400,000 400, mikä on noin XNUMX kertaa suurempi kuin nykyiset huipputekniikat. Mutta lisäparannuksilla he uskovat, että tätä määrää voitaisiin lisätä. Jos tämä saavutetaan, se tasoittaisi tietä uuden sukupolven laajamittaisille SNSPD:ille, jotka soveltuvat yhden fotonin kuvantamiseen sähkömagneettisen spektrin laajalla kaistalla.

Jo Oripov suunnittelee uudelle teknologialle monipuolisia mahdollisuuksia: parannetuista tähtitieteen tekniikoista pimeän aineen tutkimiseen ja varhaisen maailmankaikkeuden kartoittamiseen uusiin mahdollisuuksiin kvanttiviestintään ja lääketieteelliseen kuvantamiseen.

"Näyttää siltä, ​​että tällä tuloksella saimme muutaman astrofyysikon ja biolääketieteellisen kuvantamisen henkilöiden huomion, jotka kaikki olivat kiinnostuneita yhteistyöstä ja parempien kuvantamistyökalujen kehittämisestä", hän sanoo. "Se on varmasti jännittävä hetki sekä tiimillemme että kollegoillemme SNSPD-tutkimuksen alalla yleensä."

Uusi ilmaisin on kuvattu kohdassa luonto.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/new-superconducting-nanowire-single-photon-detector-has-400000-pixels/