Створено рекордний детектор одиночних фотонів
Американські фізики спроектували та зібрали камеру із надпровідниковим нанодротяним однофотонним детектором (SNSPD). Камера розпізнає в 400 разів більше пікселів, аніж сучасні аналоги, не жертвуючи при цьому жодними іншими важливими властивостями. Розробка вчених може призвести до появи масштабних SNSPD, здатних реєструвати зображення одиночних фотонів широкому електромагнітному спектрі.
Вперше камери SNSPD з'явилися 20 років тому, спричинивши переворот в оптиці. Вони складаються з масивів квадратних сіток нанониток, що перетинаються, охолоджених майже до абсолютного нуля. Кожна нитка переносить електричний струм трохи нижче критичної позначки, де зникає надпровідність. Коли з наноніттям стикається єдиний фотон, поглинене нею тепло тимчасово відключає надпровідність, поки енергія не розсіється. Через це струм переміщається до елементів резистивного нагріву, розташованим на перетині ниток, кожна з яких з'єднана з власними лініями зчитування. Сигнали цих зчитувань виступають у ролі окремих пікселів, вказуючи на розташування кожного фотона.
«SNSPD мають дуже привабливі характеристики, — сказав Бахром Оріпов, керівник наукової групи з Національного інституту стандартів і технологій США. — Вони працюють із будь-якою довжиною хвилі фотона до 29 нм (на відміну від багатьох інших кремнієвих технологій) і демонструють ефективність реєстрації 98% за 1550 нм. Також вони мають дуже низьку невизначеність у часі прибуття фотона (тимчасове тремтіння) і вкрай низькі показники помилкового виявлення».
Незважаючи на ці переваги, потреба в незалежних нитках зчитування для кожного пікселя ускладнює масштабування SNSPD. Досі це означало, що навіть у пристроїв з дуже високою роздільною здатністю не більше 1000 пікселів, пише Physics World.
Команда Оріпова обрала іншу стратегію проектування детекторів, яка дозволила реєструвати фотони за допомогою ліній зчитування, розташованих паралельно до нанониток у кожному рядку та колонці. Замість того щоб використовувати пряме зчитування електричного сигналу з детекторів, вчені спочатку перетворили його на тепло в лінії зчитування і запустили з його допомогою зустрічні електричні імпульси лінії зчитування. Порівнюючи час прибуття цих імпульсів кожному кінці лінії, камера точно визначає, де стосовно нанонити був поглинений фотон.
Зібраний пристрій здатний зареєструвати 400 000 пікселів - приблизно в 400 разів більше, ніж найсучасніші аналоги. А подальші вдосконалення можуть підвищити це значення ще більше.
У 2021 році австралійські вчені створили найтонший на той момент детектор рентгенівського випромінювання. Його товщина становила менше 10 нм. Новий пристрій чудово підходить для отримання знімків білків та живих клітин навіть у реальному часі.