Kamera nadprzewodząca NIST nie przypomina typowej matrycy
Jest to bowiem konstrukcja składająca się z ultracienkich drutów z materiału nadprzewodzącego, schłodzonego do temperatury bliskiej zera absolutnego. Każdy z tych drutów pozwala na swobodny przepływ prądu bez oporu, aż do osiągnięcia maksymalnego prądu krytycznego. To zjawisko wykorzystuje się w sensorze nadprzewodzącym – podczas pracy przez druty przepuszcza się prąd tuż poniżej poziomu krytycznego. W tych warunkach nawet pojedynczy foton uderzający w piksel niszczy nadprzewodnictwo i powoduje pojawienie się oporu.
Prawidłowe chłodzenie takiej struktury pikseli nie jest łatwe, stąd stosunkowo niewielkie (jak na klasyczne standardy) rozdzielczości tych ultraczułych sensorów. Najnowsza kamera nadprzewodząca, opracowana przez NIST ma rozdzielczość 400 tysięcy pikseli – 400 razy większą, niż dotychczasowe rozwiązania tego typu. W dotychczasowych rozwiązaniach każdy nadprzewodzący piksel podłączany był do własnego przewodu odczytującego, co w miarę wzrostu rozdzielczości powodowało lawinowy wzrost poziomu skomplikowania konstrukcji.
Naukowcy z NIST zmienili podejście, tworząc strukturę złożoną z wielu rzędów i kolumn przecinających się nanodrutów – piksel stanowi tu obszar skrzyżowania się tych struktur, a zatem da się go „zaadresować” jednoznacznie numerem rzędu i kolumny. Do odczytu służy osobna, równoległa struktura przewodów nadprzewodzących, po jednym dla każdej kolumny i wiersza. Foton, uderzając w piksel, powoduje momentalny zanik nadprzewodnictwa. Prąd płynący przez nanodrut jest wtedy bocznikowany do oporowego elementu grzejnego.
Powstanie gorącego punktu powoduje skok napięcia w przewodach odczytowych, przemieszczający się w obie strony drutów odczytowych, a pomiar czasu w jakim dotrze do detektorów na obu końcach pozwala ustalić dokładny adres punktu. Kamera NIST dysponuje detektorami zdolnymi rozróżnić sygnały docierające w 50 bilionowych części sekundy i jest w stanie zliczyć do 100 tysięcy fotonów w każdej sekundzie.
Zobacz także: Teleskop Jamesa Webba obserwuje zderzenie dwóch gwiazd neutronowych. Teleskop dostrzegł niezwykle rzadki pierwiastek (chip.pl)
Nietuzinkowy wynalazek. A jakie zastosowania praktyczne?
Naukowcy z NIST, Adam McCaughan i Bakhrom Oripov, odpowiedzialni za projekt wierzą, że nowa technologia odczytu pozwoli na łatwe skalowanie detektorów nadprzewodzących, a rozdzielczości rzędu dziesiątków megapikseli są w zasięgu ręki. To zaś otwiera zupełnie nowe możliwości obrazowania w medycynie, szczególnie przy wykorzystaniu bliskiej podczerwieni, w komputerach kwantowych opartych o fotony. Najbardziej obiecujące jest jednak wykorzystanie superczułych sensorów do użytku w badaniach astronomicznych – szczególnie w obrazowaniu słabych, odległych galaktyk i egzoplanet.