Създаден е рекорден детектор за единични фотони

Американски физици са проектирали и сглобили камера със свръхпроводим нанопроводников еднофотонен детектор (SNSPD). Камерата открива 400 пъти повече пиксели от сегашните аналози, без да жертва други важни свойства. Разработката на учените може да доведе до създаването на мащабни SNSPD, способни да регистрират изображения на единични фотони в широк електромагнитен спектър.

Камерите SNSPD се появяват за пръв път преди 20 години и предизвикват революция в оптиката. Те се състоят от масиви от квадратни решетки от пресичащи се нановлакна, охладени до почти абсолютната нула. Всяка нишка провежда електрически ток точно под критичната точка, при която свръхпроводимостта изчезва. Когато единичен фотон се сблъска с нановлакната, абсорбираната от него топлина временно изключва свръхпроводимостта, докато енергията се разсее. Това кара тока да се движи към съпротивителните нагревателни елементи, разположени в пресечната точка на нишките, всеки от които е свързан със собствени линии за отчитане. Сигналите от тези четящи линии действат като отделни пиксели, показващи местоположението на всеки фотон.

„SNSPD имат много привлекателни характеристики“, казва Бахром Орипов, ръководител на изследователския екип от Националния институт по стандартизация и технологии на САЩ. – „Те работят при всякаква дължина на вълната на фотоните до 29 nm (за разлика от много други силициеви технологии) и показват ефективност на регистрация от 98% при 1550 nm. Те също така имат много ниска неопределеност във времето на пристигане на фотоните (темпорално трептене) и изключително нисък процент на фалшиво откриване“.

Въпреки тези предимства необходимостта от независими нишки за четене за всеки пиксел затруднява мащабирането на SNSPD. Досега това означаваше, че дори устройствата с много висока разделителна способност не разполагат с много повече от 1000 пиксела, пише Physics World.

Екипът на Орипов е избрал по-различна стратегия за проектиране на детектора, която позволява фотоните да бъдат регистрирани с помощта на четящи линии, успоредни на нановлакната във всеки ред и колона. Вместо да използват директно отчитане на електрическия сигнал от детекторите, учените първо го превръщат в топлина в линията за отчитане и я използват за задействане на насрещни електрически импулси в линията за отчитане. Като сравнява времето на пристигане на тези импулси във всеки край на линията, камерата определя точно къде спрямо нановлакното е бил погълнат фотонът.

Сглобеното устройство е в състояние да регистрира 400 000 пиксела – около 400 пъти повече от съвременните аналози. А по-нататъшните подобрения могат да повишат тази стойност още повече.

За разлика от предишните дизайни – където бяха необходими общо N ² линии за отчитане за наблюдение на масив от N×N нанопроводници – този нов дизайн може да изгради еднофотонни изображения само с 2N линии за отчитане.