Ny supraledande enfotondetektor med nanotråd har 400,000 XNUMX pixlar – Physics World

Den högsta upplösningen hittills i en superledande nanotrådskamera med enkelfotondetektor (SNPD) har hävdats av forskare i USA. Designad av ett team vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och NASA:s Jet Propulsion Laboratory, erbjuder kameran ett antal pixlar som är cirka 400 gånger högre än andra toppmoderna konstruktioner, utan att offra några av deras fördelar.

SNSPD:er visades för första gången för två decennier sedan och har förändrat vår förmåga att ta bilder vid extremt låga ljusnivåer. De har kvadratiska rutnät av korsande nanotrådar kylda till strax över absolut noll. Varje tråd bär en elektrisk ström strax under den kritiska ström vid vilken supraledning förstörs.

När en nanotråd träffas av en enda foton kommer värmen den absorberar tillfälligt att stänga av supraledning tills energin har försvunnit. Detta gör att strömmen shuntas till små resistiva värmeelement placerade vid de närmaste skärningarna mellan vinkelräta nanotrådar – var och en ansluten till sina egna separata avläsningslinjer. Signalerna från dessa avläsningar fungerar som individuella pixlar, som indikerar varje fotons detekteringsplats.

"SNSPD:er har några mycket tilltalande egenskaper", förklarar teamledaren Bakhrom Oripov på NIST. "De fungerar för alla [foton] våglängder upp till 29 mm (inte sant för många andra kiselteknologier) och har visat detektionseffektivitet på 98% vid 1550 nm. De har också mycket låga osäkerheter i fotons ankomsttider (timing jitter) och har extremt låga falska detekteringsfrekvenser (mörkertal)."

Upplösningsbegränsningar

Trots dessa fördelar har behovet av oberoende avläsningstrådar för varje pixel gjort det svårt att skala upp SNSPD:er för att skapa större detektorer. Hittills har detta inneburit att även de högst upplösta enheterna har lite mer än 1000 pixlar.

Oripovs team tog ett annat tillvägagångssätt för detektordesign och detta gjorde det möjligt för dem att detektera fotoner med hjälp av avläsningslinjer arrangerade parallellt med nanotrådarna i varje rad och kolumn.

"Istället för att använda direkt elektrisk signalavläsning från detektorer, omvandlar vi först den elektriska signalen till värme i avläsningsledningen (genererad av ett resistivt värmeelement) och använder den för att utlösa elektriska pulser som utbreder sig i avläsningslinjen," förklarar Oripov.

Genom att jämföra ankomsttiderna för dessa pulser i varje ände av en avläsningslinje kan kameran sedan peka ut exakt var längs nanotråden fotonen absorberades. På detta sätt genereras en pixel vid den punkt där fotonabsorptionsstället som detekteras i en rad skär en detektion i en vinkelrät kolumn.

Färre utläsningsrader

Till skillnad från tidigare design – där totalt N² avläsningslinjer krävdes för att övervaka en rad N×N nanotrådar – denna nya design kan bygga upp enfotonbilder med bara 2N avläsningslinjer.

Som Oripov beskriver kommer denna förbättring att göra det mycket lättare för teamet att förbättra upplösningen i sin design. "Vi visade att vi verkligen kan skala till ett stort antal pixlar utan att offra andra egenskaper som enstaka fotonkänslighet, avläsningsjitter och mörkertal", säger han.

Ny fotondetektor accelererar kvantnyckeldistribution

Deras enhet uppnådde ett pixelantal på 400,000 400 – cirka XNUMX gånger högre än befintliga toppmoderna konstruktioner. Men med ytterligare förbättringar är de övertygade om att detta antal kan ökas. Om det uppnås skulle detta bana väg för en ny generation storskaliga SNSPD:er, lämpliga för enfotonavbildning över ett brett band av det elektromagnetiska spektrumet.

Redan nu ser Oripov för sig en mångfald av möjligheter för den nya tekniken: från förbättrade astronomitekniker för att undersöka mörk materia och kartlägga det tidiga universum, till nya möjligheter för kvantkommunikation och medicinsk avbildning.

"Det verkar som om vi med det här resultatet fick uppmärksamheten från några astrofysiker och biomedicinska avbildningspersoner, alla intresserade av att samarbeta och göra bättre bildverktyg", säger han. "Det är verkligen ett spännande ögonblick både för vårt team och våra kollegor inom SNSPD-forskning i allmänhet."

Den nya detektorn beskrivs i Natur.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/new-superconducting-nanowire-single-photon-detector-has-400000-pixels/