Ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST), входящего в состав Министерства торговли США, представили миру новый прорыв в сфере фотоники — однофотонную сверхпроводящую камеру с самым высоким в мире разрешением. Эта инновационная разработка может открыть множество возможностей для широкого спектра применений.
Сверхчувствительные камеры широко применяются в различных областях, начиная от биомедицинских исследований и заканчивая астрономическими наблюдениями. Они позволяют регистрировать чрезвычайно слабые световые сигналы, даже от удаленных космических объектов или от частей человеческого мозга. Ключевой особенностью новой сверхпроводящей камеры является ее чрезвычайно высокое разрешение, превышающее любые предыдущие аналоги.
Сверхпроводящая камера NIST состоит из 400 тыс. пикселей, что в 400 раз больше, чем у аналогичных камер. Ее конструкция включает в себя тонкие сверхпроводящие провода, охлажденные практически до абсолютного нуля. Ток в таких проводах движется без сопротивления, пока на них не падает фотон.
Сверхсложная задача создания
Однако разработка сверхпроводящих камер высокого разрешения оказалась весьма сложной задачей. Первых сверхпроводящие камеры, способные обнаруживать отдельные фотоны, появились более 20 лет назад, но они содержали всего несколько тысяч пикселей, что ограничивало их применение.
Одним из ключевых вызовов было создание сверхпроводящей камеры с большим количеством пикселей, поскольку для надлежащей работы каждый из них должен быть охлажден. Команда ученых из NIST и других институтов нашла новый подход к этой проблеме. Она разработала способ объединить сигналы от многих пикселей на нескольких проводах для считывания при комнатной температуре.
Новая конструкция камеры NIST поражает своей сложностью. Она включает две сетки электрических проводов, перекрывающих друг друга, образуя «пиксели» в местах их пересечения. Когда фотон падает на провод и нагревает его, это возбуждает ток в проводе, создавая резистивную горячую точку, которая отводит ток и подает напряжение на детектор камеры в двух направлениях. Это позволяет определить точное положение фотона на экране камеры.
Детекторы новой камеры способны различать время прибытия фотонов с точностью до 50 триллионных долей секунды и могут регистрировать до 100 тыс. фотонов в секунду. Такое высокое разрешение и точность открывают множество возможностей для научных исследований — от астрономии и биологии до квантовых вычислений и биомедицины.
Возможности камеры для науки
Кроме того, новая конструкция считывания является очень масштабируемой. Это означает, что NIST может разработать еще большие камеры с более высоким разрешением. Сейчас команда ученых планирует улучшить чувствительность прототипа камеры, чтобы она могла обнаруживать практически каждый входящий фотон. Это откроет новые возможности для исследований в условиях низкой освещенности, включая визуализацию слабых галактик и планет вне Солнечной системы, измерения света в квантовых компьютерах на основе фотонов и биомедицинские исследования, использующие ближний инфракрасный диапазон для изучения человеческих тканей.
Ранее мы сообщали о том, как MRO разглядел на поверхности Марса китайский аппарат Zhurong.
По материалам petapixel.com
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
