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最高分辨率單光子超導相機問世

可用于生物醫學成像及天文觀測等領域

2023-10-27 科技日報 張夢然
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美國國家標準與技術研究所(NIST)團隊制造了一款包含40萬像素的超導相機,分辨率是其他同類設備的400倍。10月26日發表在《自然》雜志的此項成果,未來將可用于生物醫學成像及天文觀測等領域。

該相機由超細電線網格組成,冷卻至接近絕對零度,電流在其中毫無阻力地移動,直到電線被光子擊中。在這款超導納米線相機中,即使是單個光子所傳遞的能量也可被檢測到,因為它會關閉網格上特定位置(像素)的超導性。結合所有光子的所有位置和強度就形成了圖像。

超導相機的每個超導組件都必須冷卻到超低溫才能正常工作,而將每個像素單獨連接到冷卻系統幾乎是不可能的。NIST與美國國家航空航天局噴氣推進實驗室、科羅拉多大學博爾德分校研究人員組成的團隊克服了這一障礙,將來自許多像素的信號組合到幾條室溫讀出線上。

超導線材的一般特性是允許電流自由流動直至達到某個最大“臨界”電流。為了利用這種行為,研究人員向傳感器施加了略低于最大值的電流。在這種情況下,即使單個光子撞擊一個像素,也會破壞超導性。電流不再能夠無阻力流過納米線,而是被分流到連接每個像素的小型電阻加熱元件,分流電流產生可快速檢測的電信號。

團隊此次構建了具有交叉超導納米線陣列的相機,這些納米線形成多行和多列,這使團隊能夠一次測量來自整行或整列像素的信號,而不是記錄每個單獨像素的數據,從而大大減少了讀出線的數量。

當光子撞擊像素時,會形成一個微小的熱點。熱點反過來產生兩個電壓脈沖,電壓脈沖由兩端的檢測器記錄。脈沖到達末端檢測器所需的時間差,就揭示了像素所在的列。探測器可識別短至五十萬億分之一秒的信號到達時間差異。采用新的讀出架構后,團隊在增加像素數量方面取得了快速進展。幾周之內,像素數量從2萬躍升至40萬。

這一讀出技術可很容易地擴展到更大的相機,具有數千萬或數億像素的超導單光子相機很快就會面世。

打印 責任編輯:侯茜

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