Con las mejoras planificadas, la nueva cámara superconductora de un solo cable 400.000 del NIST, la cámara de mayor resolución de su tipo, tendrá la capacidad de capturar imágenes astronómicas en condiciones de nivel de luz extremadamente bajo. Crédito: La imagen incorpora elementos de Pixabay y S. Kelley/NIST.
Tener más píxeles podría hacer avanzar todo, desde imágenes biomédicas hasta observaciones astronómicas.
Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colegas han construido una cámara superconductora que contiene 400.000 píxeles, 400 veces más que cualquier otro dispositivo de su tipo.
Las cámaras superconductoras permiten a los científicos capturar señales de luz muy débiles, ya sea de objetos distantes en el espacio o de partes del cerebro humano. Tener más píxeles podría abrir muchas aplicaciones nuevas en la ciencia y la investigación biomédica.
Como funciona
La cámara del NIST está formada por rejillas de cables eléctricos ultrafinos, enfriados hasta casi el cero absoluto, en las que la corriente se mueve sin resistencia hasta que un fotón golpea un cable. En estas cámaras superconductoras de nanocables, La energía transmitida incluso por un solo fotón se puede detectar porque desactiva la superconductividad en una ubicación específica (píxel) de la red. La combinación de todas las ubicaciones e intensidades de todos los fotones forma una imagen.
Esta animación muestra el sistema de lectura especial que hizo posible que los investigadores del NIST construyeran una cámara de fotón único con 400.000 nanocables superconductores, la cámara de mayor resolución de su tipo. Con mejoras adicionales, la cámara será ideal para tareas con poca luz, como obtener imágenes de galaxias o planetas débiles que se encuentran más allá del sistema solar, medir la luz en computadoras cuánticas basadas en fotones y estudios biomédicos que utilizan luz infrarroja cercana para observar a los humanos. . tejido. Crédito: S. Kelley/NIST
Evolución de las cámaras superconductoras
Las primeras cámaras superconductoras capaces de detectar fotones individuales se desarrollaron hace más de dos décadas. Desde entonces, los dispositivos no contienen más que unos pocos miles de píxeles, algo demasiado limitado para la mayoría de las aplicaciones.
Crear una cámara superconductora con un mayor número de píxeles representó un serio desafío porque sería prácticamente imposible conectar cada píxel enfriado, entre muchos miles, a su propio cable de lectura. El desafío surge del hecho de que cada uno de los componentes superconductores de la cámara debe enfriarse a temperaturas ultrabajas para funcionar correctamente, y conectar individualmente cada millón de píxeles al sistema de enfriamiento sería prácticamente imposible.
Solución innovadora
Los investigadores del NIST Adam McCaughan y Bakhrom Oripov y sus colaboradores en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA en Pasadena, California, y la Universidad de Colorado Boulder superaron este obstáculo combinando las señales de muchos píxeles en solo unos pocos cables de lectura de temperatura ambiental.
Una propiedad general de cualquier cable superconductor es que permite que la corriente fluya libremente hasta una cierta corriente máxima «crítica». Para aprovechar este comportamiento, los investigadores aplicaron a los sensores una corriente justo por debajo del máximo. Bajo esta condición, incluso si un solo fotón golpea un píxel, destruirá la superconductividad. La corriente ya no puede fluir sin resistencia a través del nanocable y, en cambio, se desvía a un pequeño elemento calefactor resistivo conectado a cada píxel. La corriente desviada crea una señal eléctrica que puede detectarse rápidamente.
Tomar prestada tecnología existente
Tomando prestada la tecnología existente, el equipo del NIST construyó la cámara para que tuviera conjuntos de nanocables superconductores que se cruzan y que forman múltiples filas y columnas, como las de un juego de tres en raya. Cada píxel (una pequeña región centrada en el punto donde se cruzan los nanocables verticales y horizontales individuales) está definido de forma única por la fila y la columna en la que se encuentra.
Esta disposición permitió al equipo medir señales provenientes de una fila o columna completa de píxeles a la vez, en lugar de registrar datos de cada píxel individual, lo que redujo drásticamente la cantidad de hilos de lectura. Para hacer esto, los investigadores colocaron un cable de lectura superconductor paralelo a las filas de píxeles, pero sin tocarlo, y otro cable paralelo a las columnas, pero sin tocarlo.
Considere solo el cable de lectura superconductor paralelo a las líneas. Cuando un fotón golpea un píxel, la corriente desviada al elemento calefactor resistivo calienta una pequeña parte del cable de lectura, creando un pequeño punto de acceso. El punto de acceso, a su vez, genera dos pulsos de voltaje que viajan en direcciones opuestas a lo largo del cable de lectura, que son registrados por detectores en cada extremo. La diferencia de tiempo que tardan los pulsos en llegar a los detectores finales revela la columna en la que reside el píxel. Un segundo cable de lectura superconductor paralelo a las columnas cumple una función similar.
Los detectores pueden discernir diferencias en el tiempo de llegada de señales de hasta 50 billonésimas de segundo. También pueden contar hasta 100.000 fotones por segundo que llegan a la red.
Perspectivas futuras
Una vez que el equipo adoptó la nueva arquitectura de lectura, Oripov avanzó rápidamente en el aumento del número de píxeles. En cuestión de semanas, el número saltó de 20.000 a 400.000 píxeles. La tecnología de escaneo se puede ampliar fácilmente a cámaras aún más grandes, dijo McCaughan, y pronto podría estar disponible una cámara superconductora de fotón único con decenas o cientos de millones de píxeles.
Durante el próximo año, el equipo planea mejorar la sensibilidad del prototipo de cámara para que pueda capturar prácticamente todos los fotones entrantes. Esto permitirá a la cámara abordar esfuerzos con poca luz, como obtener imágenes de galaxias débiles o planetas que se encuentran más allá del sistema solar, medir la luz en computadoras cuánticas basadas en fotones y contribuir a estudios biomédicos que utilizan luz infrarroja cercana para observar el tejido humano. .
Los investigadores informaron sobre su trabajo en la edición del 26 de octubre de Nature.
Referencia: “Una cámara de fotón único con nanocables superconductores con 400.000 píxeles” por BG Oripov, DS Rampini, J. Allmaras, MD Shaw, SW Nam, B. Korzh y AN McCaughan, 25 de octubre de 2023. Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06550-2
