Исследователи из Национального института стандартов и технологий создали сверхпроводящую камеру, содержащую 400 000 пикселей — в 400 раз больше, чем любое устройство такого типа. Об этом сообщает Phys.org.
Сверхпроводящие камеры позволяют ученым улавливать очень слабые световые сигналы, исходящие как от удаленных объектов в космосе, так и от частей человеческого мозга.
Первые сверхпроводящие камеры, способные обнаруживать одиночные фотоны, были разработаны более 20 лет назад. С тех пор устройства содержали не более нескольких тысяч пикселей, но этого слишком мало для большинства приложений.
Новая камера состоит из сеток ультратонких электрических проводов, охлажденных почти до абсолютного нуля, по которым ток течет без сопротивления до тех пор, пока в провод не попадет фотон. В этих сверхпроводящих нанопроволочных камерах можно обнаружить энергию, передаваемую даже одним фотоном, поскольку она отключает сверхпроводимость в определенном месте (пикселе) сетки. Объединение местоположения и интенсивности всех фотонов создает изображение.
Сверхпроводящие провода позволяют току свободно протекать до определенного максимального значения. Исследователи использовали это свойство, подавая на датчики ток ниже максимального значения. В таком случае, если в пиксель попадает хотя бы один фотон, он нарушает сверхпроводимость. Ток больше не может проходить по нанопроводу без сопротивления и направляется через резистивный нагреватель, подключенный к пикселю. Это создает электрический сигнал, который можно быстро обнаружить.
Команда разработала камеру с использованием сверхпроводящих нанопроводов, которые образуют сетку, как в игре «крестики-нолики». Каждый пиксель в камере находится на пересечении вертикальных и горизонтальных проводов. Это помогает измерять сигналы от целых рядов или столбцов пикселей одновременно, а не отдельно каждого пикселя. Это упрощает процесс чтения и сокращает количество проводов, необходимых для передачи данных.
Когда фотон попадает в пиксель камеры, он производит небольшой ток, который нагревает часть провода. Это создает крошечную «горячую точку» на проводе. Горячая точка генерирует два импульса напряжения, и они идут в разных направлениях вдоль провода. Эти импульсы затем регистрируются детекторами на обоих концах провода. Временная разница, которую замеряют импульсы, позволяет определить столбец, в котором находится пиксель. Есть также второй провод, который расположен параллельно столбцам и выполняет аналогичную функцию.
Детекторы могут определить различия во времени прибытия сигналов, составляющие всего 50 триллионных секунды, и рассчитывать до 100 000 фотонов в секунду, попадающих в сетку.
С новой архитектурой считывания ученые смогли за несколько недель увеличить количество пикселей в камере с 20 000 до 400 000. Технологию считывания можно легко масштабировать для создания камер еще крупнее. В будущем может стать возможным создание сверхпроводящих однофотонных камер с десятками или сотнями миллионов пикселей.
Команда планирует улучшить чувствительность прототипа камеры, чтобы она захватывала почти каждый входящий фотон. Это позволит применять камеру при слабом освещении, например, для визуализации слабых галактик и планет за пределами Солнечной системы, измерения света в квантовых компьютерах на основе фотонов, а также в биомедицинских исследованиях.
Ранее телескоп LIGO преодолел квантовый предел, используя метод «сжатия» лазерного света.
