美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的研究人員們已經(jīng)制造出了一臺(tái)超導(dǎo)相機(jī)，其像素高達(dá)40萬(wàn)，是其他同類(lèi)設(shè)備的400倍。

超導(dǎo)相機(jī)使科學(xué)家能夠捕捉到非常微弱的光信號(hào)，無(wú)論是來(lái)自遙遠(yuǎn)的太空物體，還是人類(lèi)大腦的某些部分。擁有更多的像素可以在科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究中開(kāi)辟許多新的應(yīng)用。 相關(guān)研究成果發(fā)表在10月26日的《自然》雜志上。

NIST的相機(jī)由超細(xì)電線網(wǎng)格組成，冷卻到接近絕對(duì)零度，電流在其中無(wú)阻力移動(dòng)，直到電線被光子擊中。

在這些超導(dǎo)納米線相機(jī)中，即使是單個(gè)光子傳遞的能量也可以被檢測(cè)到，因?yàn)樗鼤?huì)在網(wǎng)格上的特定位置(像素)關(guān)閉超導(dǎo)性。把所有光子的位置和強(qiáng)度結(jié)合起來(lái)，就形成了一幅圖像。

第一臺(tái)能夠探測(cè)單光子的超導(dǎo)照相機(jī)是在20多年前研制出來(lái)的。從那以后，這些設(shè)備的像素都不超過(guò)幾千像素——對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)太有限了。

制造一個(gè)具有更多像素的超導(dǎo)相機(jī)是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼛缀醪豢赡軐⒊汕先f(wàn)個(gè)冷凍像素中的每一個(gè)都連接到它自己的讀出線上。

這一挑戰(zhàn)源于這樣一個(gè)事實(shí)，即相機(jī)的每個(gè)超導(dǎo)組件都必須冷卻到超低溫才能正常工作，而將數(shù)百萬(wàn)像素中的每個(gè)像素單獨(dú)連接到冷卻系統(tǒng)幾乎是不可能的。

NIST的研究人員Adam McCaughan和Bakhrom Oripov以及他們?cè)诩又菖了_迪納市NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和科羅拉多大學(xué)博爾德分校的合作者克服了這一障礙，他們將來(lái)自許多像素的信號(hào)組合到幾根室溫讀出線上。

任何超導(dǎo)導(dǎo)線的一個(gè)普遍特性是，它允許電流自由流動(dòng)，直到某個(gè)最大“臨界”電流。

為了利用這種行為，研究人員對(duì)傳感器施加了略低于最大電流的電流。

在這種情況下，即使一個(gè)光子擊中一個(gè)像素，也會(huì)破壞超導(dǎo)性。電流不再能夠無(wú)阻力地通過(guò)納米線，而是分流到連接到每個(gè)像素的小電阻加熱元件。分流的電流產(chǎn)生了一個(gè)可以快速檢測(cè)到的電信號(hào)。

借鑒現(xiàn)有的技術(shù)，NIST的團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了相機(jī)，使超導(dǎo)納米線的交叉陣列形成多行和多列，就像在井字游戲中一樣。

每個(gè)像素——以垂直和水平納米線相交的點(diǎn)為中心的一個(gè)小區(qū)域——由它所在的行和列唯一地定義。 這種安排使研究小組能夠一次測(cè)量來(lái)自整行或整列像素的信號(hào)，而不是記錄每個(gè)像素的數(shù)據(jù)，從而大大減少了讀出線的數(shù)量。

為此，研究人員將一根超導(dǎo)讀出線與像素行平行但不接觸，另一根線與像素行平行但不接觸。

只考慮與這些行平行的超導(dǎo)讀出線。當(dāng)光子擊中一個(gè)像素時(shí)，分流到電阻加熱元件的電流加熱讀出線的一小部分，形成一個(gè)微小的熱點(diǎn)。

熱點(diǎn)，反過(guò)來(lái)，產(chǎn)生兩個(gè)沿讀出線方向相反的電壓脈沖，由兩端的探測(cè)器記錄。脈沖到達(dá)末端探測(cè)器所需的時(shí)間差揭示了像素所在的列。另一根超導(dǎo)讀出線與柱子平行，起到類(lèi)似的作用。

探測(cè)器可以識(shí)別短至50萬(wàn)億分之一秒的信號(hào)到達(dá)時(shí)間的差異。他們還可以計(jì)算出每秒多達(dá)10萬(wàn)個(gè)光子撞擊電網(wǎng)。

一旦團(tuán)隊(duì)采用了新的讀出架構(gòu)，Oripov在增加像素?cái)?shù)量方面取得了快速進(jìn)展。

在幾周內(nèi)，這個(gè)數(shù)字從2萬(wàn)像素躍升到40萬(wàn)像素。McCaughan說(shuō)，讀出技術(shù)可以很容易地?cái)U(kuò)展到更大的相機(jī)上，并且具有數(shù)千萬(wàn)或數(shù)億像素的超導(dǎo)單光子相機(jī)很快就可以使用。

在接下來(lái)的一年里，研究小組計(jì)劃提高原型相機(jī)的靈敏度，這樣它就可以捕捉到幾乎所有入射的光子。

這將使相機(jī)能夠處理諸如成像太陽(yáng)系以外的微弱星系或行星等低光工作，在基于光子的量子計(jì)算機(jī)中測(cè)量光線，并為使用近紅外光觀察人體組織的生物醫(yī)學(xué)研究做出貢獻(xiàn)。

審核編輯：劉清