Ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) и их коллеги разработали сверхпроводящую камеру, обладающую 400 000 пикселями, что в 400 раз больше, чем у любого другого аналогичного устройства.
Сверхпроводящие камеры имеют способность обнаруживать очень слабые световые сигналы, будь то из далеких уголков космоса или из человеческого мозга. Большее количество пикселей в камере предоставляет новые перспективы в области научных и биомедицинских исследований.
Камера NIST функционирует с использованием ультратонких сверхпроводящих проводов, которые охлаждаются практически до абсолютного нуля. В этом состоянии сверхпроводимости, ток в проводах течет без сопротивления, пока фотон не попадет в провод. Когда это происходит, сверхпроводящее состояние нарушается, и энергия, передаваемая фотоном, обнаруживается. Каждый пиксель в сетке камеры представляет из себя отдельное место, где можно зарегистрировать даже один фотон. Совокупность всех местоположений и интенсивности фотонов формирует изображение.
Первые сверхпроводящие камеры, способные обнаруживать одиночные фотоны, появились более двух десятилетий назад, но они содержали всего несколько тысяч пикселей, что было недостаточно для многих приложений.
Создание сверхпроводящей камеры с большим количеством пикселей представляло собой сложную задачу, так как подключение отдельного охлажденного пикселя к системе считывания стало технически невозможным. Это связано с тем, что каждый сверхпроводящий компонент камеры должен поддерживать низкие температуры, и индивидуальное подключение миллионов пикселей к системе охлаждения оказалось практически невозможным. Исследователи из NIST и их коллеги решили эту проблему, объединив сигналы от множества пикселей на нескольких проводах для считывания при комнатной температуре.
Суть заключается в том, что сверхпроводящие провода могут пропускать ток до определенного максимального значения. Исследователи настроили датчики так, чтобы ток был чуть ниже этой максимальной величины. Если хотя бы один фотон попадает в пиксель, он нарушает сверхпроводящее состояние, и ток переключается на нагревательный элемент, присоединенный к каждому пикселю. Этот нагреватель создает электрический сигнал, который можно легко обнаружить.
Команда NIST разработала камеру с пересекающимися массивами сверхпроводящих нанопроводов, которые образуют несколько рядов и столбцов. Эта архитектура позволяет измерять сигналы от целых рядов или столбцов пикселей одновременно, вместо того чтобы записывать данные от каждого пикселя отдельно. Это существенно уменьшает количество проводов для считывания. Например, сверхпроводящий считывающий провод, параллельный рядам пикселей, и другой провод, параллельный столбцам пикселей, выполняют аналогичные функции.
Исследователи могут различать разницу во времени прибытия сигналов на детекторы с точностью до 50 триллионных секунды. Такая камера способна обрабатывать до 100 000 фотонов в секунду. Эта технология будет доработана для повышения чувствительности прототипа и использования в различных областях, включая астрономию и биомедицину.