Novo detector de fóton único de nanofio supercondutor tem 400,000 pixels – Physics World

A resolução mais alta até o momento em uma câmera supercondutora com detector de fóton único de nanofio (SNSPD) foi reivindicada por pesquisadores nos EUA. Projetada por uma equipe do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, a câmera oferece uma contagem de pixels cerca de 400 vezes maior do que outros designs de última geração, sem sacrificar nenhuma de suas vantagens.

Demonstrados pela primeira vez há duas décadas, os SNSPDs transformaram nossa capacidade de capturar imagens em níveis de luz extremamente baixos. Eles apresentam matrizes de grade quadrada de nanofios que se cruzam, resfriados até um pouco acima do zero absoluto. Cada fio transporta uma corrente elétrica logo abaixo da corrente crítica na qual a supercondutividade é destruída.

Quando um nanofio é atingido por um único fóton, o calor que ele absorve interromperá temporariamente a supercondutividade até que a energia se dissipe. Isto faz com que a corrente seja desviada para pequenos elementos de aquecimento resistivos posicionados nas intersecções mais próximas entre nanofios perpendiculares – cada um conectado às suas próprias linhas de leitura separadas. Os sinais dessas leituras atuam como pixels individuais, indicando a localização de detecção de cada fóton.

“Os SNSPD têm algumas características muito apelativas”, explica o líder da equipa Bakrom Oripov no NIST. “Eles funcionam para qualquer comprimento de onda [de fótons] de até 29 mm (o que não é verdade para muitas outras tecnologias de silício) e demonstraram eficiência de detecção de 98% a 1550 nm. Eles também têm incertezas muito baixas nos tempos de chegada dos fótons (jitter de temporização) e taxas de detecção falsa extremamente baixas (contagens escuras).

Limitações de resolução

Apesar dessas vantagens, a necessidade de fios de leitura independentes para cada pixel dificultou o aumento de escala dos SNSPDs para criar detectores maiores. Até agora, isso significa que mesmo os dispositivos de resolução mais alta têm pouco mais de 1000 pixels.

A equipe de Oripov adotou uma abordagem diferente para o projeto do detector e isso permitiu detectar fótons usando linhas de leitura dispostas paralelamente aos nanofios em cada linha e coluna.

“Em vez de usar leitura direta de sinal elétrico de detectores, primeiro transduzimos esse sinal elétrico em calor na linha de leitura (gerado por um elemento de aquecimento resistivo) e o usamos para acionar pulsos elétricos de contrapropagação na linha de leitura”, explica Oripov.

Ao comparar os tempos de chegada desses pulsos em cada extremidade de uma linha de leitura, a câmera pode então identificar com precisão onde ao longo do nanofio o fóton foi absorvido. Desta forma, um pixel é gerado no ponto onde o local de absorção de fótons detectado em uma linha cruza com uma detecção em uma coluna perpendicular.

Menos linhas de leitura

Em contraste com designs anteriores – onde um total de N² linhas de leitura foram necessárias para monitorar uma série de nanofios N×N – este novo design pode construir imagens de fóton único com apenas 2N linhas de leitura.

Como descreve Oripov, esta melhoria tornará muito mais fácil para a equipe melhorar a resolução em seu design. “Mostramos que podemos realmente dimensionar para um grande número de pixels sem sacrificar outras propriedades, como sensibilidade de fóton único, instabilidade de leitura e contagem de escuridão”, diz ele.

Novo detector de fótons acelera a distribuição de chaves quânticas

Seu dispositivo alcançou uma contagem de pixels de 400,000 – cerca de 400 vezes maior do que os designs de última geração existentes. Mas com mais melhorias, eles estão confiantes de que este número poderá aumentar. Se alcançado, isto abriria caminho para uma nova geração de SNSPDs de grande escala, adequados para imagens de fóton único em uma banda larga do espectro eletromagnético.

Oripov já prevê uma gama diversificada de possibilidades para a nova tecnologia: desde técnicas astronómicas melhoradas para investigar a matéria escura e mapear o universo primitivo, até novas oportunidades para comunicações quânticas e imagens médicas.

“Parece que com este resultado chamamos a atenção de alguns astrofísicos e pessoas de imagens biomédicas, todos interessados ​​em colaborar e criar melhores ferramentas de imagem”, diz ele. “Este é certamente um momento emocionante tanto para a nossa equipa como para os nossos colegas no campo da investigação do SNSPD em geral.”

O novo detector é descrito em Natureza.

• Conteúdo com tecnologia de SEO e distribuição de relações públicas. Seja amplificado hoje.
• PlatoData.Network Gerativa Vertical Ai. Capacite-se. Acesse aqui.
• PlatoAiStream. Inteligência Web3. Conhecimento Amplificado. Acesse aqui.
• PlatãoESG. Carbono Tecnologia Limpa, Energia, Ambiente, Solar, Gestão de resíduos. Acesse aqui.
• PlatoHealth. Inteligência em Biotecnologia e Ensaios Clínicos. Acesse aqui.
• Fonte: https://physicsworld.com/a/new-superconducting-nanowire-single-photon-detector-has-400000-pixels/