Първата 0,4-мегапикселова еднофотонна камера
Еднофотонните камери, направени от свръхпроводящи нанопроводници, измерват светлината с ненадмината чувствителност и скорост и в несравним честотен диапазон. С намаляване на размера си, камерата е готова да премине от лабораторно изследване към индустриална технология. Такива устройства биха могли изобразяват космоса на следващия телескоп от типа на Джеймс Уеб, да работят в квантови компютри и комуникации и да надникнат в мозъка с неинвазивни техники, базирани на светлина.
Свръхпроводникови камери, които могат да открият един фотон съществуват от 20 години. Те остават ограничени до лабораториите поради невъзможността да ги мащабираме до няколко пиксела. Сега екип от Националния институт по стандарти и технологии в Колорадо, създаде 0,4-мегапикселова еднофотонна камера. Тя е 400 пъти по-голяма от предишната най-голяма камера от този тип.
Свръхпроводящите нанопроводникови детектори могат да уловят почти всеки фотон, да работят на видими, ултравиолетови и инфрачервени честоти и да носят резултати само за микросекунди. Чувствителността на детекторите произтича от факта, че достатъчно силен електрически ток преминаващ през свръхпроводник, ще унищожи неговите свръхпроводящи свойства.
Всеки пиксел на камерата е свръх проводник с ток, зададен точно под прага, така че един фотон ще наруши неговата свръхпроводимост. Прекъсването води до повишено съпротивление, което може да бъде открито почти веднага.
Как са ги мащабирали?
Производителността на единичен пиксел е уникална, но поставянето на много от тях близо един до друг е дългогодишно предизвикателство. За да се постигне свръхпроводимост, устройството трябва да се охлади до криогенни температури. Свързването на много пиксели в охладителната система е непосилно. За да преодолеят тези трудности, учените черпят вдъхновение от други детекторни технологии. Те заимстват идеята за обща шина, събираща информация в детектора от цял ред или колона от пиксели наведнъж. За съжаление директното приложение на шината води до кръстосано взаимодействие между пикселите. Това унищожава чувствителността на устройството.
Ключът е да се разбере асиметричната схема, при която сигналът от детектора може да бъде прехвърлен към шината. За тази цел екипът проектира междинна стъпка до всеки отделен пиксел. Фотон, който удря нанопроводника, би нарушил свръхпроводимостта и би отклонил тока в нагревателния елемент. След това последният ще се нагрее естествено и на свой ред ще наруши свръхпроводимостта на локално ниво. Това няма да наруши съседните нагревателни елементи, създавайки желаното асиметрично свързване.
Практическа употреба
Този дизайн се оказва изключително успешен. Огромното подобрение на размера позволява много приложения, особено в биомедицинските изображения. Разработват се техники за изобразяване на мозъка, чрез излъчване на светлина в него и откриване на малки количества от нея, които се разпръскват обратно.
За насочване на светлина към човешка тъкан близките инфрачервени честоти са идеални. Те могат да проникнат по-дълбоко в тъканта и са по-малко разрушителни, което позволява по-висок интензитет. Наличните в търговската мрежа детектори на базата на силиций не работят добре при тези честоти. Употребата на голямо устройство от този вид отваря възможности като изобразяване на целия мозък в реално време. Следващата цел е адаптиране на устройството към специфични нужди, като подобряване чувствителността към времето.
