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40万像素！「超导纳米线单光子探测器」分辨率突破极限

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发布时间：2023-11-17
 
美国研究人员宣称，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）相机的分辨率达到了迄今为止的最高水平。这款相机由美国国家标准与技术研究院（NIST）和美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）的一个团队设计，其像素数比其他最先进的设计高出约400倍，而且没有牺牲任何优点。
 
 
新的SNSPD可用于观测天体
 
二十年前首次展示的SNSPD改变了我们在极低光照水平下捕捉图像的能力。它们的特点是由冷却到略高于绝对零度的相交纳米线组成的方格阵列；每根导线都携带着电流，电流刚好低于超导电性被破坏的临界电流。
 
当纳米线被一个光子击中时，它吸收的热量会暂时关闭超导功能，直到能量耗散。这导致电流被分流到位于垂直纳米线之间最近交叉点的小型电阻加热元件上，每个元件都与各自独立的读出线相连。这些读出器发出的信号就像单个像素一样，显示每个光子的探测位置。
 
“SNSPD具有一些非常吸引人的特性，”NIST的团队负责人Bakhrom Oripov解释说：“它们适用于波长达29毫米的任何光子波长（许多其他硅技术并不适用），在1550纳米波长下的探测效率已达到98%。它们在光子到达时间（定时抖动）方面的不确定性也非常低，误检率（暗计数）极低。”
 
尽管具有这些优点，但由于每个像素都需要独立的读出线，因此很难将SNSPD放大以制造更大的探测器。迄今为止，这意味着即使是分辨率最高的设备，其像素也不过1000个。
 
Oripov的团队采用了一种不同的探测器设计方法，这使他们能够利用与每行和每列纳米线平行排列的读出线来探测光子。
 
“我们首先将电信号转换成读出线中的热量（由电阻加热元件产生），并利用它触发读出线中的反向传播电脉冲，而不是直接从探测器中读出电信号。”
 
通过比较这些脉冲在读出线两端的到达时间，相机就能精确地确定光子在纳米线的哪个位置被吸收。这样，在一行检测到的光子吸收点与垂直一列检测到的光子吸收点相交处就会产生一个像素。
 
与以前的设计相比（以前的设计需要N^2根读出线才能监测N×N根纳米线阵列），这种新设计只需2N根读出线就能建立单光子图像。
 
正如Oripov所描述的，这一改进将大大方便研究小组提高其设计的分辨率。他说：“我们的研究表明，我们确实可以在不牺牲单光子灵敏度、读出抖动和暗计数等其他特性的情况下扩展到大量像素。”
 
他们的设备达到了40万像素，比现有的最先进设计高出约400倍。但通过进一步改进，他们有信心将这一数字提高。如果实现了这一目标，将为新一代大规模单光子显微镜铺平道路，这种显微镜适用于电磁波谱宽带的单光子成像。
 
800 × 500 相机概述
 
探测器和读出总线的电气操作
 
使用高斯点泛光照明解析所有像素
 
相机的时序特性
 
科学团队已经为这项新技术设想了多种可能性：从用于研究暗物质和绘制早期宇宙图谱的改进型天文学技术，到量子通信和医学成像的新机遇。
 
“我们的这项成果似乎引起了一些天体物理学家和生物医学成像人员的注意，他们都有兴趣合作制造更好的成像工具。对于我们团队和整个SNSPD研究领域的同行来说，这无疑是一个激动人心的时刻。”
 
参考链接：
[1]https://physicsworld.com/a/new-superconducting-nanowire-single-photon-detector-has-400000-pixels/
[2]https://www.electronicsweekly.com/news/research-news/superconducting-camera-has-400k-pixels-2023-10/

[3]https://www.azooptics.com/News.aspx?newsID=28468

 

 

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