Дослідники з Національного інституту стандартів і технологій (NIST) та їхні колеги створили надпровідну камеру, яка містить 400 000 пікселів — у 400 разів більше, ніж будь-який інший пристрій такого типу. Надпровідні камери дозволяють вченим вловлювати дуже слабкі світлові сигнали від віддалених об’єктів у космосі чи частин людського мозку. Більше пікселів може відкрити багато нових застосувань у науці та біомедичних дослідженнях. Дослідники повідомили про свою роботу у випуску Nature 26 жовтня.
Камера NIST складається з сіток ультратонких електричних дротів, охолоджених майже до абсолютного нуля, у яких струм рухається без опору, доки дріт не вдарить фотон. У цих надпровідних нанодротяних камерах можна зафіксувати енергію, яку повідомляє навіть один фотон, оскільки він вимикає надпровідність у певному місці (піксель) сітки. Поєднання всіх місць розташування та інтенсивності всіх фотонів створює зображення.
Перші надпровідні камери, здатні виявляти окремі фотони, були розроблені більше ніж 20 років тому. Відтоді пристрої містили не більше кількох тисяч пікселів — надто обмежені для більшості програм.
Анімація зображує спеціальну систему зчитування, яка дозволила дослідникам NIST створити однофотонну камеру з 400 000 надпровідних нанодротів, камеру з найвищою роздільною здатністю такого типу. Завдяки подальшим удосконаленням камера стане ідеальною для таких завдань в умовах слабкого освітлення, як зображення слабких галактик або планет, що знаходяться за межами Сонячної системи, вимірювання світла в квантових комп’ютерах на основі фотонів і біомедичних досліджень, які використовують ближнє інфрачервоне світло для спостереження за людиною. тканина. Авторство зображення: С. Келлі/NIST
Створення надпровідної камери з більшою кількістю пікселів стало серйозною проблемою, оскільки стало б майже неможливо підключити кожен охолоджений піксель серед багатьох тисяч до власного дроту зчитування. Проблема пов’язана з тим фактом, що кожен із надпровідних компонентів камери має бути охолоджений до наднизьких температур, щоб функціонувати належним чином, і окремо підключити кожен піксель серед мільйонів до системи охолодження було б практично неможливо.
Дослідники NIST Адам МакКоган і Бахром Оріпов та їхні співробітники з Лабораторії реактивного руху NASA в Пасадені, штат Каліфорнія, і Університету Колорадо в Боулдері подолали цю перешкоду, об’єднавши сигнали від багатьох пікселів лише на кілька дротів для зчитування кімнатної температури.
Загальна властивість будь-якого надпровідного дроту полягає в тому, що він дозволяє струму вільно протікати до певного максимального «критичного» струму. Щоб скористатися такою поведінкою, дослідники застосували до датчиків струм трохи нижче максимального. За цієї умови, якщо навіть один фотон потрапляє на піксель, це руйнує надпровідність. Струм більше не може протікати без опору через нанодрот і натомість шунтується до невеликого резистивного нагрівального елемента, підключеного до кожного пікселя. Шунтований струм створює електричний сигнал, який можна швидко виявити.
Запозичивши наявну технологію, команда NIST сконструювала камеру з пересічними масивами надпровідних нанодротів, які утворюють кілька рядків і стовпців, як у грі в хрестики-нулики. Кожен піксель — крихітна ділянка, зосереджена в точці перетину окремих вертикальних і горизонтальних нанодротів — унікально визначається рядком і стовпцем, у якому він знаходиться.
Таке розташування дозволило команді вимірювати сигнали, що надходять від цілого рядка або стовпця пікселів одночасно, а не записувати дані з кожного окремого пікселя, різко зменшивши кількість проводів для зчитування. Для цього дослідники розмістили надпровідний дріт для зчитування паралельно, але не торкаючись рядків пікселів, а інший дріт паралельно, але не торкаючись стовпців.
Розглянемо лише надпровідний дріт зчитування, паралельний рядам. Коли фотон потрапляє на піксель, струм, що шунтується в резистивний нагрівальний елемент, нагріває невелику частину дроту зчитування, створюючи крихітну гарячу точку. Гаряча точка, своєю чергою, генерує два імпульси напруги, що рухаються в протилежних напрямках уздовж дроту зчитування, які реєструються детекторами на обох кінцях. Різниця в часі, необхідному для надходження імпульсів до кінцевих детекторів, визначає стовпець, у якому знаходиться піксель. Другий надпровідний дріт для зчитування, який лежить паралельно стовпцям, виконує аналогічну функцію.
Детектори можуть розпізнавати різницю в часі надходження сигналів до 50 трильйонних часток секунди. Вони також можуть рахувати до 100 000 фотонів за секунду, що потрапляють на сітку.
Після того, як команда прийняла нову архітектуру зчитування, Оріпов швидко прогресував у збільшенні кількості пікселів. За кілька тижнів число підскочило з 20 000 до 400 000 пікселів. Технологію зчитування можна легко розширити для навіть більших камер, сказав Мак Коган, і незабаром може бути доступна надпровідна однофотонна камера з десятками або сотнями мільйонів пікселів.
Протягом наступного року команда планує покращити чутливість прототипу камери, щоб вона могла захоплювати практично кожен вхідний фотон. Це дозволить камері впоратися з такими завданнями в умовах слабкого освітлення, як зображення слабких галактик або планет, які лежать за межами Сонячної системи, вимірювання світла у квантових комп’ютерах на основі фотонів і сприяння біомедичним дослідженням, які використовують ближнє інфрачервоне світло для вдивляння в тканини людини.
