Le nouveau détecteur à photon unique à nanofils supraconducteurs possède 400,000 XNUMX pixels – Physics World

Des chercheurs américains ont revendiqué la résolution la plus élevée à ce jour dans une caméra à détecteur de photon unique à nanofils supraconducteurs (SNSPD). Conçue par une équipe du National Institute of Standards and Technology (NIST) et du Jet Propulsion Laboratory de la NASA, la caméra offre un nombre de pixels environ 400 fois supérieur à celui des autres modèles de pointe, sans sacrifier aucun de leurs avantages.

Démontrés pour la première fois il y a vingt ans, les SNSPD ont transformé notre capacité à capturer des images à des niveaux de lumière extrêmement faibles. Ils comportent des réseaux carrés de nanofils qui se croisent et refroidis juste au-dessus du zéro absolu. Chaque fil transporte un courant électrique juste en dessous du courant critique auquel la supraconductivité est détruite.

Lorsqu’un nanofil est frappé par un seul photon, la chaleur qu’il absorbe coupe temporairement la supraconductivité jusqu’à ce que l’énergie se soit dissipée. Le courant est alors dérivé vers de petits éléments chauffants résistifs positionnés aux intersections les plus proches entre des nanofils perpendiculaires, chacun connecté à ses propres lignes de lecture distinctes. Les signaux de ces lectures agissent comme des pixels individuels, indiquant l'emplacement de détection de chaque photon.

« Les SNSPD ont des caractéristiques très attractives », explique le chef d'équipe Bakhrom Oripov au NIST. « Ils fonctionnent pour n'importe quelle longueur d'onde [de photons] jusqu'à 29 mm (ce qui n'est pas le cas pour de nombreuses autres technologies de silicium) et ont démontré une efficacité de détection de 98 % à 1550 XNUMX nm. Ils ont également de très faibles incertitudes sur les heures d’arrivée des photons (gigue temporelle) et des taux de fausses détections extrêmement faibles (comptes d’obscurité).

Limites de résolution

Malgré ces avantages, la nécessité de fils de lecture indépendants pour chaque pixel a rendu difficile la mise à l'échelle des SNSPD pour créer des détecteurs plus grands. Jusqu’à présent, cela signifiait que même les appareils ayant la résolution la plus élevée n’avaient qu’un peu plus de 1000 XNUMX pixels.

L'équipe d'Oripov a adopté une approche différente de la conception des détecteurs, ce qui leur a permis de détecter les photons à l'aide de lignes de lecture disposées parallèlement aux nanofils dans chaque rangée et colonne.

"Au lieu d'utiliser la lecture directe du signal électrique des détecteurs, nous transformons d'abord ce signal électrique en chaleur dans la ligne de lecture (générée par un élément chauffant résistif) et l'utilisons pour déclencher des impulsions électriques contra-propagatives dans la ligne de lecture", explique Oripov.

En comparant les temps d'arrivée de ces impulsions à chaque extrémité d'une ligne de lecture, la caméra peut alors localiser précisément où le long du nanofil le photon a été absorbé. De cette manière, un pixel est généré au point où le site d'absorption de photons détecté dans une rangée croise une détection dans une colonne perpendiculaire.

Moins de lignes de lecture

Contrairement aux conceptions précédentes – où un total de N² des lignes de lecture étaient nécessaires pour surveiller un ensemble de nanofils N×N – cette nouvelle conception peut créer des images à photon unique avec seulement 2N lignes de lecture.

Comme le décrit Oripov, cette amélioration permettra à l’équipe d’améliorer beaucoup plus facilement la résolution de sa conception. "Nous avons montré que nous pouvons effectivement évoluer vers un grand nombre de pixels sans sacrifier d'autres propriétés telles que la sensibilité aux photons uniques, la gigue de lecture et le nombre d'obscurités", dit-il.

Un nouveau détecteur de photons accélère la distribution des clés quantiques

Leur appareil a atteint un nombre de pixels de 400,000 400, soit environ XNUMX fois plus élevé que les conceptions de pointe existantes. Mais avec de nouvelles améliorations, ils sont convaincus que ce chiffre pourrait être augmenté. Si cela est réalisé, cela ouvrirait la voie à une nouvelle génération de SNSPD à grande échelle, adaptés à l’imagerie monophotonique sur une large bande du spectre électromagnétique.

Oripov envisage déjà un large éventail de possibilités pour la nouvelle technologie : depuis les techniques d'astronomie améliorées pour étudier la matière noire et cartographier l'univers primitif, jusqu'aux nouvelles opportunités pour les communications quantiques et l'imagerie médicale.

"Il semble qu'avec ce résultat, nous avons attiré l'attention de quelques astrophysiciens et spécialistes de l'imagerie biomédicale, tous intéressés à collaborer et à créer de meilleurs outils d'imagerie", dit-il. "C'est certainement un moment passionnant tant pour notre équipe que pour nos collègues du domaine de la recherche du SNSPD en général."

Le nouveau détecteur est décrit dans Nature.

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