เครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวสายนาโนยิ่งยวดใหม่มี 400,000 พิกเซล - Physics World

เครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวสายนาโนยิ่งยวดใหม่มี 400,000 พิกเซล - Physics World

ประทับเวลา: 16 พฤศจิกายน 2023 3:30 น

เครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว
ภาพจักรวาล: ภาพประกอบว่า SNSPD ใหม่สามารถใช้สังเกตวัตถุทางดาราศาสตร์ได้อย่างไร พร้อมการปรับปรุงเพิ่มเติม (เอื้อเฟื้อโดย: S Kelley/NIST/Pixaby)

ความละเอียดสูงสุดในปัจจุบันในกล้องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวสายนาโนยิ่งยวด (SNSPD) ได้รับการอ้างสิทธิ์โดยนักวิจัยในสหรัฐอเมริกา ออกแบบโดยทีมงานที่สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (NIST) และห้องปฏิบัติการขับเคลื่อนด้วยไอพ่นของ NASA กล้องนี้ให้จำนวนพิกเซลสูงกว่าการออกแบบที่ล้ำสมัยอื่นๆ ถึง 400 เท่า โดยไม่สูญเสียข้อดีใดๆ เลย

แสดงให้เห็นครั้งแรกเมื่อสองทศวรรษที่แล้ว SNSPD ได้เปลี่ยนแปลงความสามารถของเราในการถ่ายภาพในระดับแสงที่น้อยมาก พวกมันมีอาร์เรย์ตารางสี่เหลี่ยมของเส้นลวดนาโนที่ตัดกันซึ่งระบายความร้อนให้อยู่เหนือศูนย์สัมบูรณ์ สายไฟแต่ละเส้นมีกระแสไฟฟ้าที่ต่ำกว่ากระแสไฟฟ้าวิกฤติที่ทำลายความเป็นตัวนำยิ่งยวด

เมื่อลวดนาโนโดนโฟตอนเพียงตัวเดียว ความร้อนที่มันดูดซับจะปิดความเป็นตัวนำยิ่งยวดชั่วคราวจนกว่าพลังงานจะกระจายไป สิ่งนี้ทำให้กระแสไฟฟ้าถูกแบ่งไปยังองค์ประกอบความร้อนแบบต้านทานขนาดเล็กซึ่งอยู่ที่จุดตัดที่ใกล้ที่สุดระหว่างเส้นลวดนาโนที่ตั้งฉากกัน โดยแต่ละเส้นเชื่อมต่อกับเส้นอ่านค่าที่แยกจากกันของตัวเอง สัญญาณจากการอ่านข้อมูลเหล่านี้จะทำหน้าที่เป็นแต่ละพิกเซล ซึ่งระบุตำแหน่งการตรวจจับของโฟตอนแต่ละอัน

“SNSPD มีลักษณะที่น่าดึงดูดใจมาก” หัวหน้าทีมอธิบาย บาห์รอม โอริปอฟ ที่ NIST. “พวกมันใช้ได้กับความยาวคลื่น [โฟตอน] ใดๆ ก็ตามที่มีขนาดไม่เกิน 29 มม. (ซึ่งไม่เป็นความจริงสำหรับเทคโนโลยีซิลิคอนอื่นๆ มากมาย) และได้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการตรวจจับ 98% ที่ 1550 นาโนเมตร พวกเขายังมีความไม่แน่นอนต่ำมากในเวลาที่โฟตอนมาถึง (การกระวนกระวายใจของเวลา) และมีอัตราการตรวจจับที่ผิดพลาดต่ำมาก (จำนวนความมืด)

ข้อจำกัดของการแก้ปัญหา

แม้จะมีข้อดีเหล่านี้ แต่ความต้องการสายอ่านข้อมูลอิสระสำหรับแต่ละพิกเซลทำให้การขยาย SNSPD เพื่อสร้างตัวตรวจจับขนาดใหญ่เป็นเรื่องยาก จนถึงขณะนี้ นั่นหมายความว่าแม้แต่อุปกรณ์ที่มีความละเอียดสูงสุดก็ยังมีพิกเซลมากกว่า 1000 พิกเซลเพียงเล็กน้อย

ทีมงานของ Oripov ใช้แนวทางที่แตกต่างในการออกแบบเครื่องตรวจจับ และทำให้พวกเขาสามารถตรวจจับโฟตอนโดยใช้เส้นอ่านที่จัดเรียงขนานกับเส้นลวดนาโนในแต่ละแถวและคอลัมน์

“แทนที่จะใช้การอ่านสัญญาณไฟฟ้าโดยตรงจากเครื่องตรวจจับ ก่อนอื่นเราจะแปลงสัญญาณไฟฟ้านั้นเป็นความร้อนในบรรทัดการอ่านข้อมูล (สร้างโดยองค์ประกอบความร้อนแบบต้านทาน) และใช้เพื่อกระตุ้นพัลส์ไฟฟ้าที่สวนทางกับการแพร่กระจายในบรรทัดการอ่านข้อมูล” Oripov อธิบาย

ด้วยการเปรียบเทียบเวลาที่มาถึงของพัลส์เหล่านี้ที่ปลายแต่ละด้านของบรรทัดที่อ่านได้ กล้องจึงสามารถระบุได้อย่างแม่นยำว่าโฟตอนถูกดูดกลืนไปที่ตำแหน่งใดตามเส้นลวดนาโน ด้วยวิธีนี้ พิกเซลจะถูกสร้างขึ้น ณ จุดที่ตำแหน่งการดูดซับโฟตอนที่ตรวจพบในแถวหนึ่งตัดกับการตรวจจับในคอลัมน์ตั้งฉาก

บรรทัดการอ่านน้อยลง

ตรงกันข้ามกับการออกแบบก่อนหน้านี้ – โดยมีทั้งหมด N2 บรรทัดการอ่านข้อมูลจำเป็นในการตรวจสอบอาร์เรย์ของเส้นลวดนาโน N×N การออกแบบใหม่นี้สามารถสร้างภาพโฟตอนเดี่ยวด้วยบรรทัดการอ่านข้อมูลเพียง 2N

ดังที่ Oripov อธิบาย การปรับปรุงนี้จะทำให้ทีมปรับปรุงความละเอียดในการออกแบบได้ง่ายขึ้นอย่างมาก “เราแสดงให้เห็นว่าเราสามารถขยายขนาดพิกเซลจำนวนมากได้โดยไม่ต้องเสียสละคุณสมบัติอื่นๆ เช่น ความไวของโฟตอนเดี่ยว ความกระวนกระวายใจในการอ่านค่า และจำนวนความมืด” เขากล่าว

อุปกรณ์ของพวกเขามีจำนวนพิกเซลถึง 400,000 พิกเซล ซึ่งสูงกว่าการออกแบบที่ล้ำสมัยที่มีอยู่ประมาณ 400 เท่า แต่ด้วยการปรับปรุงเพิ่มเติม พวกเขามั่นใจว่าจำนวนนี้จะเพิ่มขึ้นได้ หากประสบความสำเร็จ นี่จะเป็นการปูทางไปสู่ ​​SNSPD ขนาดใหญ่รุ่นใหม่ ซึ่งเหมาะสำหรับการถ่ายภาพโฟตอนเดี่ยวในแถบสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าที่กว้าง

Oripov มองเห็นความเป็นไปได้ที่หลากหลายสำหรับเทคโนโลยีใหม่นี้ ตั้งแต่เทคนิคทางดาราศาสตร์ที่ได้รับการปรับปรุงสำหรับการตรวจสอบสสารมืดและการทำแผนที่เอกภพในยุคแรกเริ่ม ไปจนถึงโอกาสใหม่สำหรับการสื่อสารควอนตัมและการถ่ายภาพทางการแพทย์

“ดูเหมือนว่าด้วยผลลัพธ์นี้ เราได้รับความสนใจจากนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์และผู้เชี่ยวชาญด้านการถ่ายภาพทางชีวการแพทย์จำนวนหนึ่ง ซึ่งทุกคนสนใจที่จะร่วมมือและสร้างเครื่องมือการถ่ายภาพที่ดีขึ้น” เขากล่าว “นั่นเป็นช่วงเวลาที่น่าตื่นเต้นอย่างแน่นอนสำหรับทั้งทีมของเราและเพื่อนร่วมงานของเราในสาขาการวิจัย SNSPD โดยทั่วไป”

เครื่องตรวจจับใหม่มีอธิบายไว้ใน ธรรมชาติ.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์