Az új szupravezető nanovezetékes egyfoton detektor 400,000 XNUMX pixeles – Physics World

Az új szupravezető nanovezetékes egyfoton detektor 400,000 XNUMX pixeles – Physics World

Időbélyeg: 16. november 2023. 3:30

Egyfoton detektor
Kozmikus kép: annak szemléltetése, hogy további fejlesztésekkel az új SNSPD hogyan használható csillagászati ​​objektumok megfigyelésére. (Jóvolt: S Kelley/NIST/Pixaby)

Az eddigi legnagyobb felbontást egy szupravezető nanovezetékes egyfoton detektor (SNSPD) kamerában állították be amerikai kutatók. A National Institute of Standards and Technology (NIST) és a NASA Jet Propulsion Laboratory csapata által tervezett kamera mintegy 400-szor nagyobb pixelszámot kínál, mint a többi korszerű kialakítás, anélkül, hogy feláldozná azok előnyeit.

Két évtizeddel ezelőtt mutatták be először, hogy az SNSPD-k átalakították azt a képességünket, hogy rendkívül gyenge fényviszonyok mellett is készítsünk képeket. Négyzethálós, egymást keresztező nanoszálakból álló tömböket tartalmaznak, amelyek az abszolút nulla fölé hűtve vannak. Mindegyik vezeték olyan elektromos áramot vezet, amely éppen a kritikus áram alatt van, amelynél a szupravezetés megsemmisül.

Ha egy nanohuzalba egyetlen foton ütközik, az általa elnyelt hő átmenetileg leállítja a szupravezetést, amíg az energia el nem oszlik. Ez azt eredményezi, hogy az áramot a kis ellenállású fűtőelemekre irányítják, amelyek a merőleges nanovezetékek legközelebbi metszéspontjában helyezkednek el – mindegyik saját külön leolvasó vezetékéhez csatlakozik. Az ezekből a kiolvasásokból származó jelek egyedi pixelként működnek, jelezve az egyes fotonok észlelési helyét.

„Az SNSPD-k nagyon vonzó tulajdonságokkal rendelkeznek” – magyarázza a csoportvezető Bakhrom Oripov a NIST-nél. „Bármilyen [foton] 29 mm-es hullámhosszig működnek (nem igaz sok más szilíciumtechnológiára), és 98 nm-en 1550%-os észlelési hatékonyságot mutattak be. Ezenkívül nagyon alacsony a bizonytalanságuk a fotonok érkezési idejében (időzítési jitter), és rendkívül alacsony a téves észlelési arányuk (sötét számlálás).

Felbontási korlátok

Ezen előnyök ellenére, hogy minden képponthoz független kiolvasó vezetékekre van szükség, megnehezítette az SNSPD-k méretezését nagyobb detektorok létrehozásához. Ez eddig azt jelentette, hogy a legnagyobb felbontású eszközök is alig több mint 1000 képponttal rendelkeznek.

Oripov csapata más megközelítést alkalmaz a detektorok tervezésében, és ez lehetővé tette számukra, hogy fotonokat észleljenek az egyes sorokban és oszlopokban lévő nanovezetékekkel párhuzamosan elhelyezett kiolvasási vonalak segítségével.

„Ahelyett, hogy az érzékelőkből közvetlenül kiolvasnánk az elektromos jelet, először ezt az elektromos jelet hővé alakítjuk a kiolvasó vezetékben (amelyet egy rezisztív fűtőelem generál), és ezzel ellentétesen terjedő elektromos impulzusokat váltunk ki a kiolvasó vezetékben” – magyarázza Oripov.

Ha összehasonlítja ezeknek az impulzusoknak a beérkezési idejét a kiolvasási vonal mindkét végén, akkor a kamera pontosan meg tudja határozni, hogy a nanoszál mentén hol nyelődött el a foton. Ily módon egy pixel keletkezik azon a ponton, ahol az egyik sorban észlelt fotonabszorpciós hely metszi a merőleges oszlopban lévő észlelést.

Kevesebb kiolvasási sor

A korábbi tervekkel ellentétben – ahol összesen N2 leolvasó vonalakra volt szükség egy sor N×N nanovezeték figyeléséhez – ez az új kialakítás egyetlen foton képalkotást képes felépíteni mindössze 2N kiolvasási vonallal.

Ahogy Oripov leírja, ez a fejlesztés nagyban megkönnyíti a csapat számára a felbontás javítását a tervezés során. „Megmutattuk, hogy valóban képesek vagyunk nagy számú pixelre skálázni anélkül, hogy feláldoznánk más tulajdonságokat, például az egyfotonérzékenységet, a kiolvasási jittert és a sötét számot” – mondja.

Készülékük 400,000 400 pixelszámot ért el – ez mintegy XNUMX-szor több, mint a jelenlegi legmodernebb kialakítások. De további fejlesztésekkel bíznak abban, hogy ez a szám növelhető. Ha megvalósul, ez megnyitná az utat a nagyméretű SNSPD-k új generációja előtt, amelyek alkalmasak egyfoton képalkotásra az elektromágneses spektrum széles sávjában.

Oripov már most is sokféle lehetőséget képzel el az új technológia számára: a sötét anyag kutatására és a korai univerzum feltérképezésére szolgáló továbbfejlesztett csillagászati ​​technikáktól kezdve a kvantumkommunikáció és az orvosi képalkotás új lehetőségeiig.

„Úgy tűnik, ezzel az eredménnyel felkeltettük néhány asztrofizikus és orvosbiológiai képalkotó figyelmét, akik mindannyian érdekeltek az együttműködésben és a jobb képalkotó eszközök gyártásában” – mondja. „Ez minden bizonnyal izgalmas pillanat mind csapatunk, mind az SNSPD kutatás területén dolgozó kollégáink számára általában.”

Az új detektor leírása a Természet.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa