Ny superledende nanotråd enkeltfoton-detektor har 400,000 XNUMX piksler – Physics World

Ny superledende nanotråd enkeltfoton-detektor har 400,000 XNUMX piksler – Physics World

Tidsstempel: 16. november 2023, kl

Enkeltfoton detektor
Kosmisk bilde: illustrasjon av hvordan, med ytterligere forbedringer, den nye SNSPD kan brukes til å observere astronomiske objekter. (Med tillatelse: S Kelley/NIST/Pixaby)

Den høyeste oppløsningen til dags dato i et superledende nanowire single-photon detector (SNPD) kamera har blitt hevdet av forskere i USA. Kameraet er designet av et team ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og NASAs Jet Propulsion Laboratory, og tilbyr et pikselantall som er rundt 400 ganger høyere enn andre toppmoderne design, uten å ofre noen av fordelene deres.

SNSPD-er ble først demonstrert for to tiår siden, og har forvandlet vår evne til å ta bilder ved ekstremt lave lysnivåer. De har firkantede rutenett med kryssende nanotråder som er avkjølt til like over absolutt null. Hver ledning fører en elektrisk strøm like under den kritiske strømmen som superledning blir ødelagt ved.

Når en nanotråd blir truffet av et enkelt foton, vil varmen den absorberer midlertidig stenge superledningsevnen til energien har forsvunnet. Dette fører til at strømmen blir shuntet til små resistive varmeelementer plassert ved de nærmeste skjæringspunktene mellom vinkelrette nanotråder - hver koblet til sine egne separate avlesningslinjer. Signalene fra disse avlesningene fungerer som individuelle piksler, som indikerer hvert fotons deteksjonssted.

"SNPD-er har noen veldig tiltalende egenskaper," forklarer teamleder Bakhrom Oripov på NIST. "De fungerer for alle [foton] bølgelengder opp til 29 mm (ikke sant for mange andre silisiumteknologier) og har vist deteksjonseffektivitet på 98 % ved 1550 nm. De har også svært lave usikkerheter når det gjelder foton-ankomsttider (timing-jitter) og har ekstremt lave falske deteksjonshastigheter (mørketeller).»

Oppløsningsbegrensninger

Til tross for disse fordelene, har behovet for uavhengige avlesningsledninger for hver piksel gjort det vanskelig å skalere opp SNSPD-er for å lage større detektorer. Så langt har dette ført til at selv de høyeste oppløsningsenhetene har litt mer enn 1000 piksler.

Oripovs team tok en annen tilnærming til detektordesign, og dette tillot dem å oppdage fotoner ved å bruke avlesningslinjer arrangert parallelt med nanotrådene i hver rad og kolonne.

"I stedet for å bruke direkte elektrisk signalavlesning fra detektorer, transduserer vi først det elektriske signalet til varme i avlesningslinjen (generert av et resistivt varmeelement) og bruker det til å utløse motforplantende elektriske pulser i avlesningslinjen," forklarer Oripov.

Ved å sammenligne ankomsttidene til disse pulsene i hver ende av en avlesningslinje, kan kameraet deretter finne nøyaktig hvor langs nanotråden fotonet ble absorbert. På denne måten genereres en piksel på punktet der fotonabsorpsjonsstedet som er detektert i én rad, skjærer hverandre med en deteksjon i en vinkelrett kolonne.

Færre avlesningslinjer

I motsetning til tidligere design – hvor totalt N2 utlesningslinjer var nødvendig for å overvåke en rekke N×N nanotråder – denne nye designen kan bygge opp enkeltfotonbilder med bare 2N utlesningslinjer.

Som Oripov beskriver, vil denne forbedringen gjøre det mye enklere for teamet å forbedre oppløsningen i designet. "Vi viste at vi faktisk kan skalere til et stort antall piksler uten å ofre andre egenskaper som enkeltfotonfølsomhet, avlesningsjitter og mørketall," sier han.

Enheten deres oppnådde et pikselantall på 400,000 400 – rundt XNUMX ganger høyere enn eksisterende toppmoderne design. Men med ytterligere forbedringer er de sikre på at dette tallet kan økes. Hvis det oppnås, vil dette bane vei for en ny generasjon av storskala SNSPD-er, egnet for enkeltfotonavbildning over et bredt bånd av det elektromagnetiske spekteret.

Allerede ser Oripov for seg et mangfold av muligheter for den nye teknologien: fra forbedrede astronomiteknikker for å undersøke mørk materie og kartlegge det tidlige universet, til nye muligheter for kvantekommunikasjon og medisinsk bildebehandling.

"Det ser ut til at vi med dette resultatet fikk oppmerksomheten til noen få astrofysikere og biomedisinske avbildningspersoner, alle interessert i å samarbeide og lage bedre bildeverktøy," sier han. "Det er absolutt et spennende øyeblikk både for teamet vårt og våre kolleger innen SNSPD-forskning generelt."

Den nye detektoren er beskrevet i Natur.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden