Nowy nadprzewodzący nanodrutowy detektor pojedynczych fotonów ma 400,000 XNUMX pikseli – Świat Fizyki

Naukowcy z USA twierdzą, że kamera z nadprzewodzącym nanodrutowym detektorem pojedynczych fotonów (SNSPD) uzyskała najwyższą jak dotąd rozdzielczość. Zaprojektowany przez zespół z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) oraz Laboratorium Napędów Odrzutowych NASA, aparat oferuje liczbę pikseli około 400 razy większą niż inne najnowocześniejsze konstrukcje, nie rezygnując przy tym z żadnych zalet.

Zademonstrowane po raz pierwszy dwie dekady temu, SNSPD zmieniły naszą zdolność do rejestrowania obrazów przy bardzo słabym oświetleniu. Zawierają układy przecinających się nanodrutów o kwadratowej siatce, schłodzonych do temperatury nieco powyżej zera absolutnego. W każdym przewodzie płynie prąd elektryczny o wartości nieco niższej od prądu krytycznego, przy którym nadprzewodnictwo ulega zniszczeniu.

Kiedy w nanodrut uderzy pojedynczy foton, pochłonięte przez niego ciepło tymczasowo wyłączy nadprzewodnictwo do czasu rozproszenia energii. Powoduje to przetaczanie prądu do małych rezystancyjnych elementów grzejnych umieszczonych w najbliższych przecięciach prostopadłych nanodrutów – każdy podłączony do własnych, oddzielnych linii odczytowych. Sygnały z tych odczytów działają jak pojedyncze piksele, wskazując lokalizację wykrycia każdego fotonu.

„SNSPD mają kilka bardzo atrakcyjnych cech” – wyjaśnia lider zespołu Bakhrom Oripow w NIST. „Działają dla dowolnej długości fali [fotonu] do 29 mm (nie dotyczy to wielu innych technologii krzemowych) i wykazały skuteczność wykrywania na poziomie 98% przy 1550 nm. Charakteryzują się również bardzo niską niepewnością co do czasu przybycia fotonów (jitter taktowania) i wyjątkowo niskim współczynnikiem fałszywej detekcji (ciemne zliczenia).

Ograniczenia rozdzielczości

Pomimo tych zalet potrzeba niezależnych przewodów odczytowych dla każdego piksela utrudniła skalowanie SNSPD w celu stworzenia większych detektorów. Dotychczas oznaczało to, że nawet urządzenia o najwyższej rozdzielczości mają niewiele więcej niż 1000 pikseli.

Zespół Oripova przyjął inne podejście do konstrukcji detektora, co umożliwiło mu wykrywanie fotonów za pomocą linii odczytu ułożonych równolegle do nanodrutów w każdym rzędzie i kolumnie.

„Zamiast bezpośredniego odczytu sygnału elektrycznego z detektorów, najpierw przekształcamy ten sygnał elektryczny w linię odczytu na ciepło (generowane przez rezystancyjny element grzejny) i wykorzystujemy go do wyzwalania w linii odczytu przeciwstawnych impulsów elektrycznych” – wyjaśnia Oripov.

Porównując czasy przybycia tych impulsów na każdym końcu linii odczytu, kamera może następnie dokładnie określić, gdzie wzdłuż nanodrutu foton został zaabsorbowany. W ten sposób piksel generowany jest w miejscu, w którym miejsce absorpcji fotonów wykryte w jednym rzędzie przecina się z detekcją w prostopadłej kolumnie.

Mniej linii odczytu

W przeciwieństwie do poprzednich projektów – gdzie w sumie N² Do monitorowania szeregu nanodrutów N×N potrzebne były linie odczytowe – dzięki temu nowemu projektowi można tworzyć obrazy pojedynczych fotonów za pomocą zaledwie 2N linii odczytowych.

Jak opisuje Oripov, to ulepszenie znacznie ułatwi zespołowi poprawę rozdzielczości w ich projektach. „Pokazaliśmy, że rzeczywiście możemy skalować do dużej liczby pikseli bez poświęcania innych właściwości, takich jak czułość pojedynczego fotonu, drgania odczytu i liczba ciemnych” – mówi.

Nowy detektor fotonów przyspiesza dystrybucję klucza kwantowego

Ich urządzenie osiągnęło liczbę pikseli wynoszącą 400,000 400 – około XNUMX razy więcej niż istniejące, najnowocześniejsze konstrukcje. Są jednak pewni, że dzięki dalszym ulepszeniom liczba ta będzie mogła zostać zwiększona. Jeśli uda się to osiągnąć, utoruje to drogę nowej generacji wielkoskalowych SNSPD, nadających się do obrazowania pojedynczych fotonów w szerokim paśmie widma elektromagnetycznego.

Już teraz Oripow przewiduje różnorodne możliwości nowej technologii: od ulepszonych technik astronomicznych do badania ciemnej materii i mapowania wczesnego Wszechświata, po nowe możliwości komunikacji kwantowej i obrazowania medycznego.

„Wygląda na to, że dzięki temu wynikowi przyciągnęliśmy uwagę kilku astrofizyków i osób zajmujących się obrazowaniem biomedycznym, wszystkich zainteresowanych współpracą i tworzeniem lepszych narzędzi do obrazowania” – mówi. „To z pewnością ekscytujący moment zarówno dla naszego zespołu, jak i ogólnie naszych kolegów zajmujących się badaniami SNSPD”.

Nowy detektor opisano w Natura.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/new-superconducting-nanowire-single-photon-detector-has-400000-pixels/