Ученые разработали однофотонную сверхпроводниковую камеру высочайшего разрешения
Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) и их коллеги создали сверхпроводящую камеру, содержащую 400 тыс. пикселей – в 400 раз больше, чем любое другое устройство подобного типа.
Сверхпроводящие камеры позволяют ученым фиксировать очень слабые световые сигналы, как от удаленных объектов в космосе, так и от частей человеческого мозга. Наличие большего числа пикселей может открыть множество новых применений в науке и биомедицинских исследованиях. О своей работе исследователи сообщили в выпуске журнала Nature от 26 октября.
Камера NIST состоит из решеток сверхтонких электрических проводов, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю, в которых ток движется без сопротивления до тех пор, пока на провод не попадает фотон. В этих сверхпроводяще-нанопроволочных камерах энергия, передаваемая даже одним фотоном, может быть обнаружена, поскольку он выключает сверхпроводимость в определенном месте (пикселе) на решетке. Сочетание расположения и интенсивности всех фотонов формирует изображение, фотоальбомы подарочные купить в москве.
Первые сверхпроводящие камеры, способные детектировать одиночные фотоны, были созданы более 20 лет назад. С тех пор эти устройства содержали не более нескольких тысяч пикселей, что слишком мало для большинства применений.
Создание сверхпроводящей камеры с большим числом пикселей представляет собой серьезную проблему, поскольку подключить каждый охлажденный пиксель из многих тысяч к собственному считывающему проводу становится практически невозможно. Проблема связана с тем, что для нормальной работы каждый из сверхпроводящих компонентов камеры должен охлаждаться до сверхнизких температур, и индивидуальное подключение каждого пикселя из миллионов к системе охлаждения практически невозможно.
Исследователи NIST Адам Маккоган и Бахром Орипов, а также их коллеги из Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене (Калифорния) и Университета Колорадо в Боулдере преодолели это препятствие, объединив сигналы от множества пикселей на нескольких проводах считывания при комнатной температуре.
Общее свойство любого сверхпроводящего провода заключается в том, что он свободно пропускает ток до определенного максимального “критического” тока. Чтобы воспользоваться этим свойством, исследователи подали на датчики ток чуть ниже максимального. При этом, если на пиксель попадает хотя бы один фотон, сверхпроводимость разрушается. Ток больше не может протекать без сопротивления через нанопроволоку и вместо этого шунтируется небольшим резистивным нагревательным элементом, подключенным к каждому пикселю. Шунтированный ток создает электрический сигнал, который может быть быстро обнаружен.
Заимствуя существующие технологии, специалисты NIST сконструировали камеру из пересекающихся массивов сверхпроводящих нанопроводов, образующих несколько рядов и столбцов, как в игре “Крестики-нолики”. Каждый пиксель – крошечная область, расположенная в точке пересечения вертикальных и горизонтальных нанопроводов, – однозначно определяется строкой и столбцом, в которых он находится.
Такое расположение позволило не регистрировать данные с каждого отдельного пикселя, а одновременно измерять сигналы, поступающие с целого ряда или столбца пикселей, что значительно сократило количество считывающих проводов. Для этого сверхпроводящий провод считывания располагался параллельно рядам пикселей, но не касался их, а другой провод – параллельно столбцам, но не касался их.
Рассмотрим только сверхпроводящий провод считывания, расположенный параллельно строкам. Когда фотон попадает на пиксель, ток, шунтируемый в резистивный нагревательный элемент, нагревает небольшую часть считывающего провода, создавая крошечную горячую точку. Горячая точка, в свою очередь, генерирует два импульса напряжения, проходящих в противоположных направлениях вдоль считывающего провода, которые регистрируются детекторами на обоих концах. Разница во времени прихода импульсов к конечным детекторам позволяет определить столбец, в котором находится пиксель. Второй сверхпроводящий провод считывания, расположенный параллельно столбцам, выполняет аналогичную функцию.
Детекторы способны различать разницу во времени прихода сигналов, составляющую 50 триллионных долей секунды. Кроме того, они могут подсчитывать до 100 000 фотонов в секунду, попадающих на решетку.
После того как команда перешла на новую архитектуру считывания, Орипову удалось быстро увеличить количество пикселей. За несколько недель количество пикселей увеличилось с 20 000 до 400 000. По словам МакКогана, технология считывания может быть легко масштабирована для создания еще более крупных камер, и в скором времени может появиться сверхпроводящая однофотонная камера с десятками или сотнями миллионов пикселей.
В течение следующего года команда планирует повысить чувствительность прототипа камеры, чтобы она могла фиксировать практически каждый входящий фотон. Это позволит использовать камеру в таких малоосвещенных областях, как съемка слабых галактик или планет, расположенных за пределами Солнечной системы, измерение света в квантовых компьютерах на основе фотонов, а также в биомедицинских исследованиях, использующих ближний инфракрасный свет для проникновения в ткани человека.
В нашем Telegram‑канале вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
