Il nuovo rilevatore di fotone singolo nanofilo superconduttore ha 400,000 pixel – Physics World

Ricercatori statunitensi hanno rivendicato la più alta risoluzione finora ottenuta in una fotocamera con rilevatore di fotone singolo a nanofili superconduttori (SNSPD). Progettata da un team del National Institute of Standards and Technology (NIST) e del Jet Propulsion Laboratory della NASA, la fotocamera offre un numero di pixel circa 400 volte superiore rispetto ad altri design all'avanguardia, senza sacrificare nessuno dei loro vantaggi.

Dimostrati per la prima volta due decenni fa, gli SNSPD hanno trasformato la nostra capacità di catturare immagini a livelli di luce estremamente bassi. Sono caratterizzati da matrici a griglia quadrata di nanofili intersecanti raffreddati appena sopra lo zero assoluto. Ogni filo trasporta una corrente elettrica appena al di sotto della corrente critica alla quale la superconduttività viene distrutta.

Quando un nanofilo viene colpito da un singolo fotone, il calore che assorbe spegne temporaneamente la superconduttività finché l’energia non si sarà dissipata. Ciò fa sì che la corrente venga deviata verso piccoli elementi riscaldanti resistivi posizionati nelle intersezioni più vicine tra nanofili perpendicolari, ciascuno collegato alle proprie linee di lettura separate. I segnali provenienti da queste letture agiscono come singoli pixel, indicando la posizione di rilevamento di ciascun fotone.

"Gli SNSPD hanno alcune caratteristiche molto interessanti", spiega il leader del team Bachrom Oripov al NIST. "Funzionano con qualsiasi lunghezza d'onda [fotonica] fino a 29 mm (non vero per molte altre tecnologie al silicio) e hanno dimostrato efficienze di rilevamento del 98% a 1550 nm. Hanno anche incertezze molto basse nei tempi di arrivo dei fotoni (jitter temporale) e hanno tassi di rilevamento falsi estremamente bassi (conteggi oscuri).”

Limiti di risoluzione

Nonostante questi vantaggi, la necessità di cavi di lettura indipendenti per ciascun pixel ha reso difficile l’ampliamento degli SNSPD per creare rilevatori più grandi. Finora ciò ha fatto sì che anche i dispositivi con la risoluzione più alta abbiano poco più di 1000 pixel.

Il team di Oripov ha adottato un approccio diverso alla progettazione del rilevatore e questo ha permesso loro di rilevare i fotoni utilizzando linee di lettura disposte parallelamente ai nanofili in ogni riga e colonna.

“Invece di utilizzare la lettura diretta del segnale elettrico dai rilevatori, prima trasduciamo quel segnale elettrico in calore nella linea di lettura (generato da un elemento riscaldante resistivo) e lo utilizziamo per attivare impulsi elettrici di contropropagazione nella linea di lettura”, spiega Oripov.

Confrontando i tempi di arrivo di questi impulsi a ciascuna estremità di una linea di lettura, la fotocamera può quindi individuare con precisione il punto in cui lungo il nanofilo è stato assorbito il fotone. In questo modo, viene generato un pixel nel punto in cui il sito di assorbimento dei fotoni rilevato in una riga si interseca con un sito di rilevamento in una colonna perpendicolare.

Meno righe di lettura

A differenza dei progetti precedenti – dove un totale di N² erano necessarie linee di lettura per monitorare una serie di nanofili N × N: questo nuovo design può creare immagini a fotone singolo con solo linee di lettura 2N.

Come descrive Oripov, questo miglioramento renderà molto più semplice per il team migliorare la risoluzione del progetto. "Abbiamo dimostrato che possiamo effettivamente scalare un gran numero di pixel senza sacrificare altre proprietà come la sensibilità al singolo fotone, il jitter di lettura e il conteggio del buio", afferma.

Il nuovo rilevatore di fotoni accelera la distribuzione delle chiavi quantistiche

Il loro dispositivo ha raggiunto un numero di pixel di 400,000, circa 400 volte superiore rispetto ai design all’avanguardia esistenti. Ma con ulteriori miglioramenti, sono fiduciosi che questo numero potrebbe aumentare. Se raggiunto, ciò aprirebbe la strada a una nuova generazione di SNSPD su larga scala, adatti per l’imaging di singoli fotoni su un’ampia banda dello spettro elettromagnetico.

Oripov prevede già una vasta gamma di possibilità per la nuova tecnologia: dalle tecniche astronomiche migliorate per lo studio della materia oscura e la mappatura dell’universo primordiale, alle nuove opportunità per le comunicazioni quantistiche e l’imaging medico.

"Sembra che con questo risultato abbiamo attirato l'attenzione di alcuni astrofisici e esperti di imaging biomedico, tutti interessati a collaborare e creare strumenti di imaging migliori", afferma. “È sicuramente un momento emozionante sia per il nostro team che per i nostri colleghi nel campo della ricerca SNSPD in generale”.

Il nuovo rilevatore è descritto in Natura.

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