科技日報北京10月26日電 (記者張夢然)美國國家標準與技術(shù)研究所(NIST)團隊制造了一款包含40萬像素的超導(dǎo)相機,分辨率是其他同類設(shè)備的400倍。26日發(fā)表在《自然》雜志的此項成果,未來將可用于生物醫(yī)學(xué)成像及天文觀測等領(lǐng)域。
該相機由超細電線網(wǎng)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(dǎo)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(guān)閉網(wǎng)格上特定位置(像素)的超導(dǎo)性。結(jié)合所有光子的所有位置和強度就形成了圖像。
超導(dǎo)相機的每個超導(dǎo)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(tǒng)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(xué)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(dǎo)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(dǎo)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(chǎn)生可快速檢測的電信號。
團隊此次構(gòu)建了具有交叉超導(dǎo)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(shù)據(jù),從而大大減少了讀出線的數(shù)量。
當(dāng)光子撞擊像素時,會形成一個微小的熱點。熱點反過來產(chǎn)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(gòu)后,團隊在增加像素數(shù)量方面取得了快速進展。幾周之內(nèi),像素數(shù)量從2萬躍升至40萬。
這一讀出技術(shù)可很容易地擴展到更大的相機,具有數(shù)千萬或數(shù)億像素的超導(dǎo)單光子相機很快就會面世。
【總編輯圈點】
這不但是目前同類產(chǎn)品中分辨率最高的相機,還將是未來低光工作的最理想選擇之一。因為在接下來的一年里,該團隊還會進一步提高原型相機的靈敏度,以便它可捕獲每個傳入的光子。這樣優(yōu)化后,相機可以在基于光子的量子計算機中測量光,還可以為利用近紅外光觀察人體組織的生物醫(yī)學(xué)研究作貢獻,甚至,它能成功對太陽系之外的微弱星系或行星進行成像。
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