Nieuwe supergeleidende nanodraad-detector voor één foton heeft 400,000 pixels – Physics World

Nieuwe supergeleidende nanodraad-detector voor één foton heeft 400,000 pixels – Physics World

Tijdstempel: 16 november 2023 3:30 uur

Detector met één foton
Kosmisch beeld: illustratie van hoe, met verdere verbeteringen, de nieuwe SNSPD zou kunnen worden gebruikt om astronomische objecten waar te nemen. (Met dank aan: S Kelley/NIST/Pixaby)

Onderzoekers in de VS hebben de hoogste resolutie tot nu toe geclaimd in een supergeleidende nanodraad-single-photon detector (SNSPD)-camera. De camera is ontworpen door een team van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en het Jet Propulsion Laboratory van NASA en biedt een aantal pixels dat zo'n 400 keer hoger is dan bij andere ultramoderne ontwerpen, zonder dat dit ten koste gaat van de voordelen ervan.

SNSPD's, die twintig jaar geleden voor het eerst werden gedemonstreerd, hebben ons vermogen om beelden vast te leggen bij extreem weinig licht getransformeerd. Ze beschikken over vierkante rasterreeksen van elkaar kruisende nanodraden die zijn afgekoeld tot net boven het absolute nulpunt. Elke draad geleidt een elektrische stroom die net onder de kritische stroom ligt waarbij de supergeleiding wordt vernietigd.

Wanneer een nanodraad wordt geraakt door een enkel foton, zal de warmte die het absorbeert de supergeleiding tijdelijk uitschakelen totdat de energie is verdwenen. Dit zorgt ervoor dat de stroom wordt overbrugd naar kleine weerstandsverwarmingselementen die zijn gepositioneerd op de dichtstbijzijnde kruispunten tussen loodrechte nanodraden – elk verbonden met hun eigen afzonderlijke uitleeslijnen. De signalen van deze uitlezingen fungeren als individuele pixels en geven de detectielocatie van elk foton aan.

“SNSPD’s hebben een aantal zeer aantrekkelijke eigenschappen”, legt teamleider uit Bakrom Oripov bij NIST. “Ze werken voor elke [foton] golflengte tot 29 mm (dit geldt niet voor veel andere siliciumtechnologieën) en hebben een detectie-efficiëntie van 98% bij 1550 nm aangetoond. Ze hebben ook zeer lage onzekerheden in de aankomsttijden van fotonen (timingjitter) en extreem lage valse detectiepercentages (dark counts).

Resolutie beperkingen

Ondanks deze voordelen heeft de behoefte aan onafhankelijke uitleesdraden voor elke pixel het moeilijk gemaakt om SNSPD's op te schalen om grotere detectoren te creëren. Tot nu toe heeft dit ertoe geleid dat zelfs apparaten met de hoogste resolutie weinig meer dan 1000 pixels hebben.

Het team van Oripov pakte het detectorontwerp op een andere manier aan en hierdoor konden ze fotonen detecteren met behulp van uitleeslijnen die parallel aan de nanodraden in elke rij en kolom waren gerangschikt.

“In plaats van directe elektrische signaaluitlezing van detectoren te gebruiken, zetten we dat elektrische signaal eerst om in warmte in de uitleeslijn (gegenereerd door een resistief verwarmingselement) en gebruiken we het om tegengestelde elektrische pulsen in de uitleeslijn te activeren”, legt Oripov uit.

Door de aankomsttijden van deze pulsen aan elk uiteinde van een uitleeslijn te vergelijken, kan de camera precies vaststellen waar langs de nanodraad het foton werd geabsorbeerd. Op deze manier wordt een pixel gegenereerd op het punt waar de fotonenabsorptieplaats die in één rij wordt gedetecteerd, een detectie in een loodrechte kolom kruist.

Minder uitleesregels

In tegenstelling tot eerdere ontwerpen – waar in totaal N2 Er waren uitleeslijnen nodig om een ​​reeks N×N nanodraden te monitoren – dit nieuwe ontwerp kan beelden van één foton opbouwen met slechts 2N uitleeslijnen.

Zoals Oripov beschrijft, zal deze verbetering het voor het team veel gemakkelijker maken om de resolutie in hun ontwerp te verbeteren. "We hebben laten zien dat we inderdaad naar een groot aantal pixels kunnen schalen zonder andere eigenschappen op te offeren, zoals de gevoeligheid van één foton, uitleesjitter en het aantal donkerheden", zegt hij.

Hun apparaat haalde een aantal pixels van 400,000 – zo’n 400 keer meer dan bestaande, ultramoderne ontwerpen. Maar met verdere verbeteringen hebben ze er vertrouwen in dat dit aantal kan worden verhoogd. Als dit wordt bereikt, zou dit de weg vrijmaken voor een nieuwe generatie grootschalige SNSPD's, geschikt voor beeldvorming met één foton over een brede band van het elektromagnetische spectrum.

Oripov voorziet nu al een breed scala aan mogelijkheden voor de nieuwe technologie: van verbeterde astronomische technieken voor het onderzoeken van donkere materie en het in kaart brengen van het vroege universum, tot nieuwe mogelijkheden voor kwantumcommunicatie en medische beeldvorming.

"Het lijkt erop dat we met dit resultaat de aandacht hebben getrokken van een paar astrofysici en biomedische beeldvormingsmensen, die allemaal geïnteresseerd zijn in samenwerking en het maken van betere beeldvormingshulpmiddelen", zegt hij. “Dat is zeker een spannend moment, zowel voor ons team als voor onze collega’s op het gebied van SNSPD-onderzoek in het algemeen.”

De nieuwe detector wordt beschreven in NATUUR.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld