دانشمندان یک دوربین ابررسانای تک فوتون با بالاترین وضوح تولید کردند

محققان موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) و همکارانشان یک دوربین ابررسانا با ۴۰۰۰۰۰ پیکسل ساخته اند که ۴۰۰ برابر بیشتر از هر دستگاه مشابه دیگری است.

این دوربین‌های ابررسانا برای گرفتن سیگنال‌های نوری بسیار ضعیف، چه از اجسام دور در فضا یا بخش‌هایی از مغز انسان مفید هستند. داشتن پیکسل های بیشتر می تواند کاربردهای جدید متعددی را در تحقیقات علمی و زیست پزشکی باز کند. محققان یافته های خود را در شماره ۲۶ اکتبر Nature منتشر کردند.

دوربین NIST از شبکه‌هایی از سیم‌های الکتریکی بسیار نازک تشکیل شده است که تا نزدیک صفر مطلق خنک شده‌اند، جایی که جریان بدون مقاومت حرکت می‌کند تا زمانی که یک سیم توسط فوتون برخورد کند. در این دوربین‌های نانوسیم ابررسانا، انرژی حتی یک فوتون قابل تشخیص است، زیرا ابررسانایی را در یک مکان خاص (پیکسل) در شبکه مختل می‌کند. ترکیب تمام مکان ها و شدت فوتون ها یک تصویر را تشکیل می دهد.

پیشینه

اولین دوربین‌های ابررسانا که قادر به شناسایی تک فوتون‌ها بودند، بیش از ۲۰ سال پیش ساخته شدند، اما تنها چند هزار پیکسل داشتند که کاربرد آنها را محدود می‌کرد.

چالش ها

ایجاد یک دوربین ابررسانا با پیکسل های بیشتر چالش مهمی را به همراه داشت زیرا اتصال هر پیکسل سرد شده به سیم بازخوانی خود در بین هزاران پیکسل تقریبا غیرممکن است. این به دلیل نیاز به خنک کردن هر جزء تا دمای بسیار پایین برای عملکرد مناسب است و اتصال میلیون ها پیکسل به صورت جداگانه به سیستم خنک کننده عملاً غیرممکن است.

محققان NIST، همراه با همکاران آزمایشگاه پیشرانه جت ناسا و دانشگاه کلرادو بولدر، با ترکیب سیگنال‌های بسیاری از پیکسل‌ها روی چند سیم بازخوانی دمای اتاق، بر این چالش غلبه کردند.

محققان از ویژگی سیم‌های ابررسانا استفاده کردند و اجازه دادند جریان آزادانه تا حداکثر جریان «بحرانی» جریان یابد. آنها جریانی درست کمتر از حداکثر به سنسورها اعمال کردند. در این شرایط، اگر یک فوتون به یک پیکسل برخورد کند، ابررسانایی را از بین می‌برد و جریان به یک عنصر گرمایش مقاومتی متصل به هر پیکسل منتقل می‌شود و یک سیگنال الکتریکی ایجاد می‌کند.

این دوربین با آرایه‌های متقاطع نانوسیم‌های ابررسانا ساخته شد که ردیف‌ها و ستون‌هایی را مانند یک بازی تیک تاک تشکیل می‌داد. هر پیکسل که با تقاطع نانوسیم‌های عمودی و افقی تعریف می‌شود، به تیم اجازه می‌دهد تا سیگنال‌های کل ردیف‌ها یا ستون‌ها را در یک زمان اندازه‌گیری کند و تعداد سیم‌های بازخوانی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

این تیم قصد دارد حساسیت نمونه اولیه دوربین را در سال آینده افزایش دهد و آن را قادر سازد تقریباً هر فوتون ورودی را ضبط کند. این پیشرفت می‌تواند برای تصویربرداری از کهکشان‌های ضعیف یا سیارات فراتر از منظومه شمسی، اندازه‌گیری نور در رایانه‌های کوانتومی مبتنی بر فوتون، و کمک به مطالعات زیست‌پزشکی با استفاده از نور مادون قرمز نزدیک برای بررسی بافت انسانی مفید باشد.

سوالات

یک آشکارساز نانوسیم تک فوتونی ابررسانا (SNSPD) چقدر کوچک است؟

SNSPD معمولاً از نانوسیم‌های باریکی به عرض حدود ۱۰۰ نانومتر تشکیل شده است که به‌صورت یک الگوی پرپیچ‌وخم روی یک سطح صاف قرار گرفته‌اند. آنها از جهتی مستقیماً بالای سطح روشن می شوند تا از جفت شدن پیچیده فوتون ها در موجبرهای نوری یکپارچه جلوگیری شود.

آیا یک CCD می تواند یک فوتون را شناسایی کند؟

بله، یک CCD (دستگاه همراه با شارژ) می تواند رویدادهای تک فوتون را بدون نیاز به تقویت کننده تصویر تشخیص دهد. از یک ساختار ویژه ضرب الکترون ساخته شده در تراشه استفاده می کند.

چه وسیله ای می تواند یک فوتون را تشخیص دهد؟

فتودیودهای بهمنی (APD) که در حالت گایگر کار می کنند می توانند فوتون های منفرد را شناسایی کنند. این حساسیت با بایاس کردن APD بالای ولتاژ شکست، همانطور که در نقطه A در شکل نشان داده شده است، به دست می آید.

SNSPD ها چگونه کار می کنند؟

آشکارساز تک فوتونی نانوسیم ابررسانا (SNSPD) از یک لایه نازک از مواد ابررسانا تشکیل شده است که یک نانوسیم پرپیچ و خم را در سراسر یک ناحیه تشخیص فعال تشکیل می دهد. این ناحیه معمولاً برای جمع آوری سیگنال از فیبر نوری طراحی شده است. آشکارساز معمولاً در دماهای کمتر از ۲.۵ کلوین استفاده می شود.

دمای SNSPD چقدر است؟

SNSPD ها معمولاً باید در دماهای کمتر از ۰.۵ برابر دمای انتقال ابررسانا (Tc) کار کنند. به عنوان مثال، SNSPDهای ساخته شده از NbN/WSi معمولاً به ترتیب در دماهای کمتر از ۴ K/2 K کار می کنند.

آیا می توانیم یک فوتون را بگیریم؟

در حالی که دوربین‌های مبتنی بر ابررسانا که قادر به تشخیص یک فوتون هستند، ۲۰ سال است که وجود داشته‌اند، به دلیل مشکلاتی که در مقیاس آن‌ها بیش از چند پیکسل وجود دارد، به آزمایشگاه‌ها محدود شده‌اند.

تعاریف

دوربین ابررسانا:

دوربینی که از فناوری ابررسانا، به ویژه نانوسیم های ابررسانا، برای شناسایی و گرفتن سیگنال های نوری بسیار ضعیف استفاده می کند. این در تحقیقات علمی و زیست پزشکی برای تصویربرداری از اجرام آسمانی دور یا مطالعه مغز انسان استفاده می شود.

پیکسل:

کوچکترین واحد در یک تصویر دیجیتال که با یک نقطه روی یک شبکه نمایش داده می شود. در زمینه دوربین ابررسانا، از پیکسل ها برای تشخیص و ثبت تاثیر فوتون ها استفاده می شود که امکان تشکیل تصاویر را فراهم می کند.

NIST (موسسه ملی استاندارد و فناوری):

موسسه ای که با همکاری سایر محققان دوربین ابررسانا را توسعه داد. NIST به دلیل مشارکت در پیشرفت استانداردهای اندازه گیری و فناوری ها شناخته شده است.

عکس:

ذره ای از نور. در زمینه دوربین ابررسانا، فوتون‌هایی که به پیکسل‌ها برخورد می‌کنند، ابررسانایی را مختل می‌کنند و انرژی آنها برای تشکیل تصاویر شناسایی می‌شود.

جریان بحرانی:

حداکثر جریانی که یک سیم ابررسانا می تواند حمل کند در حالی که همچنان ابررسانایی را حفظ می کند. در دوربین ابررسانا، جریانی درست زیر جریان بحرانی به حسگرها اعمال می شود تا برخورد فوتون ها را تشخیص دهد.

عنصر گرمایش مقاومتی:

جزء متصل به هر پیکسل در دوربین ابررسانا. هنگامی که یک فوتون ابررسانایی را مختل می کند، جریان به عنصر گرمایش مقاومتی منتقل می شود و یک سیگنال الکتریکی تولید می کند.

سیم های بازخوانی:

سیم هایی که برای جمع آوری و انتقال سیگنال ها از پیکسل ها به آشکارسازهای خارجی استفاده می شوند. در دوربین ابررسانا، یک معماری بازخوانی جدید با اندازه‌گیری سیگنال‌های کل ردیف‌ها یا ستون‌های پیکسل در یک زمان، تعداد سیم‌ها را کاهش می‌دهد.

nature (ژورنال):

یک مجله علمی که در آن محققان یافته های خود را در مورد دوربین ابررسانا منتشر کردند. Nature به دلیل انتشار تحقیقات بررسی شده در رشته های مختلف علمی مشهور است.

کامپیوترهای کوانتومی:

کامپیوترهایی که از اصول مکانیک کوانتومی از جمله رفتار فوتون ها استفاده می کنند. دوربین ابررسانا کاربردهای بالقوه ای در اندازه گیری نور در کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر فوتون دارد.