Avere più pixel in una fotocamera superconduttiva potrebbe far progredire tutto, dall’imaging biomedico alle osservazioni astronomiche.
I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i loro colleghi hanno costruito un superconduttore fotocamera contenente 400.000 pixel, 400 volte di più rispetto a qualsiasi altro dispositivo di questo tipo.
Con i miglioramenti pianificati, la nuova fotocamera superconduttiva a filo singolo del NIST da 400.000, la fotocamera con la risoluzione più alta nel suo genere, avrà la capacità di catturare immagini astronomiche in condizioni di livello di illuminazione estremamente basso. Credito: l’immagine incorpora elementi di Pixabay e S. Kelley/NIST.
Le telecamere superconduttrici consentono agli scienziati di catturare segnali luminosi molto deboli, provenienti da oggetti distanti nello spazio o da parti del cervello umano. Avere più pixel potrebbe aprire molte nuove applicazioni nella scienza e nella ricerca biomedica.
La telecamera del NIST è costituita da griglie di cavi elettrici ultrasottili, raffreddati quasi allo zero assoluto, in cui la corrente si muove senza resistenza finché un filo non viene colpito da un fotone. In queste telecamere a nanofili superconduttori, l’energia impartita anche da un singolo fotone può essere rilevata perché spegne la superconduttività in una particolare posizione (pixel) sulla griglia. La combinazione di tutte le posizioni e intensità di tutti i fotoni costituisce un’immagine.
Le prime fotocamere superconduttrici in grado di rilevare singoli fotoni sono state sviluppate più di 20 anni fa. Da allora, i dispositivi non contengono più di qualche migliaio di pixel, troppo limitati per la maggior parte delle applicazioni.
La creazione di una fotocamera superconduttrice con un numero molto maggiore di pixel ha rappresentato una sfida seria perché sarebbe diventato quasi impossibile collegare ogni singolo pixel raffreddato tra molte migliaia al proprio filo di lettura. La sfida deriva dal fatto che ciascuno dei componenti superconduttori della fotocamera deve essere raffreddato a temperature ultrabasse per funzionare correttamente, e collegare individualmente ogni pixel tra centinaia di migliaia al sistema di raffreddamento sarebbe praticamente impossibile.
I ricercatori del NIST Adam McCaughan e Bakhrom Oripov e i loro collaboratori del Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, in California, e dell’Università del Colorado Boulder hanno superato quell’ostacolo combinando i segnali di molti pixel su pochi cavi di lettura della temperatura ambiente.
Una proprietà generale di qualsiasi filo superconduttore è che consente alla corrente di fluire liberamente fino ad un certo limite massimo di corrente “critica”. Per sfruttare questo comportamento, i ricercatori hanno applicato ai sensori una corrente appena inferiore al massimo.
In tali condizioni, se anche un singolo fotone colpisce un pixel, distrugge la superconduttività. La corrente non è più in grado di fluire senza resistenza attraverso il nanofilo e viene invece deviata a un piccolo elemento riscaldante resistivo collegato a ciascun pixel. La corrente derivata crea un segnale elettrico che può essere rilevato rapidamente.
Prendendo a prestito dalla tecnologia esistente, il team del NIST ha costruito la telecamera in modo da avere matrici intersecanti di nanofili superconduttori che formano più righe e colonne, come quelle di un gioco di tris. Ogni pixel – una piccola regione centrata sul punto in cui si incrociano i singoli nanofili verticali e orizzontali – è definito in modo univoco dalla riga e dalla colonna in cui si trova.
Questa disposizione ha consentito al team di misurare i segnali provenienti da un’intera riga o colonna di pixel alla volta anziché registrare i dati da ogni singolo pixel, riducendo drasticamente il numero di cavi di lettura. Per fare ciò, i ricercatori hanno posizionato un filo di lettura superconduttore parallelo ma senza toccare le file di pixel, e un altro filo parallelo ma senza toccare le colonne.
Considera solo il filo di lettura superconduttore parallelo alle file. Quando un fotone colpisce un pixel, la corrente deviata nell’elemento riscaldante resistivo riscalda una piccola parte del filo di lettura, creando un minuscolo hotspot. L’hotspot, a sua volta, genera due impulsi di tensione che viaggiano in direzioni opposte lungo il cavo di lettura, che vengono registrati dai rilevatori alle due estremità.
La differenza di tempo necessaria affinché gli impulsi arrivino ai rilevatori finali rivela il colonna in cui risiede il pixel. Un secondo filo di lettura superconduttore parallelo alle colonne svolge una funzione simile.
I rilevatori possono distinguere differenze nel tempo di arrivo dei segnali fino a 50 trilionesimi di secondo. Possono anche contare fino a 100.000 fotoni al secondo che colpiscono la griglia.
Una volta che il team ha adottato la nuova architettura di lettura, Oripov ha compiuto rapidi progressi nell’aumentare il numero di pixel. Nel giro di poche settimane, il numero è passato da 20.000 a 400.000 pixel. La tecnologia di lettura può essere facilmente ampliata per fotocamere ancora più grandi, ha affermato McCaughan, e presto potrebbe essere disponibile una fotocamera superconduttrice a singolo fotone con decine o centinaia di milioni di pixel.
Nel corso del prossimo anno, il team prevede di migliorare la sensibilità del prototipo della fotocamera in modo che possa catturare praticamente ogni fotone in arrivo. Ciò consentirà alla fotocamera di affrontare attività in condizioni di scarsa illuminazione, come l’imaging di galassie deboli o pianeti che si trovano oltre il sistema solare, la misurazione della luce in computer quantistici basati su fotoni e il contributo a studi biomedici che utilizzano la luce del vicino infrarosso per scrutare i tessuti umani. .
I ricercatori hanno riportato il loro lavoro nell’edizione del 26 ottobre di Natura (https://www.nature.com/articles/s41586-023-06550-2).
Articolo: BG Oripov, DS Rampini, B. Korzh, J. Allmaras, MD Shaw, SW Nam e AN McCaughan. Una fotocamera a fotone singolo nanofilo superconduttore con 400.000 pixel. Natura. 26 ottobre 2023. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06550-2
Fonte: NIST
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