Máy dò photon đơn dây nano siêu dẫn mới có 400,000 điểm ảnh

Các nhà nghiên cứu ở Mỹ đã công bố độ phân giải cao nhất cho đến nay của máy dò photon đơn dây nano (SNSPD) siêu dẫn. Được thiết kế bởi một nhóm tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) và Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA, máy ảnh này cung cấp số điểm ảnh cao hơn khoảng 400 lần so với các thiết kế hiện đại khác mà không phải hy sinh bất kỳ ưu điểm nào của chúng.

Được chứng minh lần đầu tiên cách đây hai thập kỷ, SNSPD đã thay đổi khả năng chụp ảnh của chúng ta ở mức ánh sáng cực thấp. Chúng có các mảng lưới vuông gồm các dây nano giao nhau được làm mát đến gần độ không tuyệt đối. Mỗi dây mang một dòng điện ở ngay dưới dòng tới hạn mà tại đó tính siêu dẫn bị phá hủy.

Khi một dây nano bị một photon đơn lẻ tấn công, nhiệt mà nó hấp thụ sẽ tạm thời tắt tính siêu dẫn cho đến khi năng lượng tiêu tán. Điều này làm cho dòng điện bị lệch sang các phần tử gia nhiệt điện trở nhỏ được đặt ở các điểm giao nhau gần nhất giữa các dây nano vuông góc – mỗi dây được kết nối với các đường đọc riêng biệt của chúng. Các tín hiệu từ các chỉ số này hoạt động như các pixel riêng lẻ, cho biết vị trí phát hiện của từng photon.

“SNSPD có một số đặc điểm rất hấp dẫn,” trưởng nhóm giải thích Bakhrom Oripov tại NIST. “Chúng hoạt động với bất kỳ bước sóng [photon] nào lên tới 29 mm (không đúng với nhiều công nghệ silicon khác) và đã chứng minh hiệu suất phát hiện là 98% ở 1550 nm. Chúng cũng có độ không đảm bảo rất thấp về thời gian đến của photon (jitter thời gian) và có tỷ lệ phát hiện sai (số lượng tối) cực kỳ thấp.”

Giới hạn độ phân giải

Bất chấp những ưu điểm này, nhu cầu về dây đọc độc lập cho từng pixel đã gây khó khăn cho việc mở rộng quy mô SNSPD để tạo ra các máy dò lớn hơn. Cho đến nay, điều này có nghĩa là ngay cả những thiết bị có độ phân giải cao nhất cũng chỉ có ít hơn 1000 pixel.

Đội của Oripov đã áp dụng một cách tiếp cận khác để thiết kế máy dò và điều này cho phép họ phát hiện các photon bằng cách sử dụng các vạch đọc được sắp xếp song song với các dây nano ở mỗi hàng và cột.

Oripov giải thích: “Thay vì sử dụng tín hiệu điện trực tiếp từ máy dò, trước tiên chúng tôi chuyển tín hiệu điện đó thành nhiệt trong đường đọc (được tạo ra bởi một bộ phận làm nóng điện trở) và sử dụng nó để kích hoạt các xung điện truyền ngược trong đường đọc”.

Bằng cách so sánh thời gian đến của các xung này ở mỗi đầu của đường đọc, máy ảnh có thể xác định chính xác vị trí dọc theo dây nano mà photon được hấp thụ. Bằng cách này, một pixel được tạo ra tại điểm mà vị trí hấp thụ photon được phát hiện trên một hàng giao với điểm phát hiện trong cột vuông góc.

Ít dòng đọc hơn

Ngược lại với các thiết kế trước đó – nơi có tổng cộng N² Cần có các đường đọc để giám sát một dãy dây nano N×N – thiết kế mới này có thể tạo ra các hình ảnh đơn photon chỉ với 2N đường đọc.

Như Oripov mô tả, cải tiến này sẽ giúp nhóm cải thiện độ phân giải trong thiết kế của họ dễ dàng hơn rất nhiều. Ông nói: “Chúng tôi đã chứng tỏ rằng chúng tôi thực sự có thể mở rộng quy mô đến số lượng lớn pixel mà không phải hy sinh các đặc tính khác như độ nhạy của một photon, độ biến động khi đọc và số lượng tối”.

Máy dò photon mới tăng tốc phân phối khóa lượng tử

Thiết bị của họ đạt được số điểm ảnh là 400,000 – cao hơn khoảng 400 lần so với các thiết kế hiện đại nhất hiện có. Nhưng với những cải tiến hơn nữa, họ tin tưởng rằng con số này có thể tăng lên. Nếu đạt được, điều này sẽ mở đường cho một thế hệ SNSPD quy mô lớn mới, thích hợp cho việc tạo ảnh đơn photon trên một dải rộng của phổ điện từ.

Oripov đã hình dung ra nhiều khả năng đa dạng cho công nghệ mới: từ các kỹ thuật thiên văn học cải tiến để nghiên cứu vật chất tối và lập bản đồ vũ trụ sơ khai, đến các cơ hội mới cho truyền thông lượng tử và hình ảnh y tế.

Ông nói: “Có vẻ như với kết quả này, chúng tôi đã thu hút được sự chú ý của một số nhà vật lý thiên văn và chuyên gia hình ảnh y sinh, tất cả đều quan tâm đến việc hợp tác và tạo ra các công cụ hình ảnh tốt hơn”. “Đó chắc chắn là một khoảnh khắc thú vị đối với cả nhóm của chúng tôi và các đồng nghiệp của chúng tôi trong lĩnh vực nghiên cứu SNSPD nói chung.”

Máy dò mới được mô tả trong Thiên nhiên.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/new-superconducting-nanowire-single-photon-detector-has-400000-pixels/