גלאי פוטון יחיד ננו-על מוליך-על בעל 400,000 פיקסלים - עולם הפיזיקה

הרזולוציה הגבוהה ביותר עד כה במצלמת גלאי פוטון יחיד (SNPD) מוליכת-על ננו-על נטענה על ידי חוקרים בארה"ב. עוצבה על ידי צוות במכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) ובמעבדת הנעה סילון של נאס"א, המצלמה מציעה ספירת פיקסלים גבוהה פי 400 מאשר עיצובים חדישים אחרים, מבלי לוותר על אף אחד מהיתרונות שלהם.

הוכח לראשונה לפני שני עשורים, SNSPDs שינו את היכולת שלנו לצלם תמונות ברמות אור נמוכות במיוחד. הם כוללים מערכי רשת מרובעים של ננו-חוטים מצטלבים שמקוררים מעט מעל האפס המוחלט. כל חוט נושא זרם חשמלי ממש מתחת לזרם הקריטי שבו מוליכות-על נהרסת.

כאשר ננו-תיל נפגע על ידי פוטון בודד, החום שהוא סופג ישבית זמנית את מוליכות העל עד שהאנרגיה תתפוגג. זה גורם להעברת הזרם אל גופי חימום התנגדות קטנים הממוקמים בצמתים הקרובים ביותר בין ננו-חוטים מאונכים - כל אחד מחובר לקווי קריאה נפרדים משלו. האותות מהקריאות הללו פועלים כחיקסלים בודדים, המציינים את מיקום הזיהוי של כל פוטון.

"ל-SNPD יש כמה מאפיינים מאוד מושכים", מסביר ראש הצוות בכרום אוריפוב ב-NIST. "הם עובדים עבור כל אורך גל [פוטון] של עד 29 מ"מ (לא נכון עבור טכנולוגיות סיליקון רבות אחרות) והפגינו יעילות זיהוי של 98% ב-1550 ננומטר. יש להם גם אי ודאויות נמוכות מאוד בזמני הגעה של פוטון (ריצוד תזמון) ויש להם שיעורי זיהוי שווא נמוכים במיוחד (ספירות כהות).

מגבלות רזולוציה

למרות היתרונות הללו, הצורך בחוטי קריאה עצמאיים עבור כל פיקסל הקשה על הגדלה של SNSPDs ליצירת גלאים גדולים יותר. עד כה, זה גרם לכך שאפילו למכשירים ברזולוציה הגבוהה ביותר יש קצת יותר מ-1000 פיקסלים.

הצוות של אוריפוב נקט בגישה שונה לתכנון גלאים וזה איפשר להם לזהות פוטונים באמצעות קווי קריאה המסודרים במקביל לננו-חוטים בכל שורה ועמודה.

"במקום להשתמש בקריאה ישירה של אותות חשמליים מגלאים, אנו מעבירים תחילה את האות החשמלי הזה לחום בקו הקריאה (שנוצר על ידי גוף חימום התנגדות) ומשתמשים בו כדי להפעיל פולסים חשמליים המתפשטים נגדי בקו הקריאה", מסביר אוריפוב.

על ידי השוואת זמני ההגעה של הפולסים הללו בכל קצה של קו קריאה, המצלמה יכולה להצביע בדיוק היכן לאורך הננו-תיל נקלט הפוטון. בדרך זו, נוצר פיקסל בנקודה שבה אתר קליטת הפוטונים שזוהה בשורה אחת מצטלב עם זיהוי בעמודה מאונכת.

פחות שורות קריאה

בניגוד לעיצובים קודמים - שבהם סך הכל N² נדרשו קווי קריאה כדי לנטר מערך של N×N ננו-חוטים - עיצוב חדש זה יכול לבנות תמונות של פוטון בודד עם קווי קריאה של 2N בלבד.

כפי שמתאר Oripov, שיפור זה יקל מאוד על הצוות לשפר את הרזולוציה בעיצוב שלהם. "הראינו שאנחנו אכן יכולים לשנות את קנה המידה למספר גדול של פיקסלים מבלי לוותר על מאפיינים אחרים כגון רגישות פוטון בודד, ריצוד קריאה וספירת כהות", הוא אומר.

גלאי פוטון חדש מאיץ חלוקת מפתח קוונטי

המכשיר שלהם השיג ספירת פיקסלים של 400,000 - פי 400 גבוה יותר מהעיצובים המתקדמים הקיימים. אבל עם שיפורים נוספים, הם בטוחים שניתן להגדיל את המספר הזה. אם יושג, זה יסלול את הדרך לדור חדש של SNSPDs בקנה מידה גדול, המתאימים להדמיה של פוטון בודד על פני פס רחב של הספקטרום האלקטרומגנטי.

כבר עכשיו, אוריפוב צופה מגוון רחב של אפשרויות עבור הטכנולוגיה החדשה: מטכניקות אסטרונומיה משופרות לחקר החומר האפל ומיפוי היקום המוקדם, ועד הזדמנויות חדשות לתקשורת קוונטית והדמיה רפואית.

"נראה שעם התוצאה הזו, קיבלנו את תשומת הלב של כמה אסטרופיזיקאים ואנשי דימות ביו-רפואיים, כולם מעוניינים לשתף פעולה וליצור כלי הדמיה טובים יותר", הוא אומר. "זה בהחלט רגע מרגש הן עבור הצוות שלנו והן עבור עמיתינו בתחום מחקר SNSPD בכלל."

הגלאי החדש מתואר ב טבע.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/new-superconducting-nanowire-single-photon-detector-has-400000-pixels/