Сверхпроводниковые камеры разрослись до 400 тысяч пикселей

Физикам удалось увеличить разрешение сверхпроводниковой камеры до 400 тысяч пикселей. Скорость работы и чувствительность камеры позволяет получать изображение от сигналов очень слабой мощности, а ее структура — масштабировать устройство в дальнейшем. Работа опубликована в Nature.

Детекторы на сверхпроводниках применяются во многих областях — от исследований черной материи до квантовых вычислений и коммуникации. Сложно выделить какой-то один параметр, по которому детекторы на сверхпроводниках превзошли полупроводниковые лавинные детекторы — они обладают и высокой эффективностью детектирования фотона (порядка 98 процентов) и небольшим мертвым временем (меньше трех пикосекунд), работают в диапазоне от ультрафиолета до ИК-излучения, а их темновой шум составляет не больше микрогерца.

Один из возможных путей развития технологии сверхпроводниковых детекторов — создание сверхчувствительных камер. Чтобы собрать из детекторов камеру, необходимо очень быстро и очень точно определять, какой именно детектор сработал. Для этого можно считывать сигнал отдельно с каждого детектора, подводя к нему свою шину, но такой подход сложно масштабировать — для 20 тысяч пикселей нужно 20 тысяч управляющих шин — такая система окажется очень громоздкой. Можно делать длинные детекторы и измерять время прилета электрона, обрабатывать эти данные и тоже получать изображения. Однако, и тут возникает сложность масштабирования — изготовить такие детекторы технически сложно.

Группа физиков из Национального института стандартов и технологий под руководством Адама Маккогана (A. N. McCaughan) объединила два этих подхода и сделала камеру с разрешением в 400 тысяч пикселей. Им удалось превзойти предыдущую реализацию камеры на сверхпроводниковых диодах в 20 раз.

Авторы собрали матрицу из детекторов, где у каждой строки и каждого столбца были свои шины считывания. Чувствительные области камеры, которые поглощают фотоны, чередуются с диэлектрическими прослойками, в которых плотность тока мала, поэтому они никак не реагируют на прилет фотона и позволяют отделять детекторы друг от друга.

Прилетевший фотон создает в цепи сопротивление, которое отводит ток смещения их детектора на нагревательный элемент термодатчика. Он, в свою очередь, генерирует фононы, которые разрушают сверхпроводимость и создает два противоположных по полярности напряжения импульса. Оба импульса распространяются по считывающей шине в разные стороны и с большими скоростями. По разности времен прихода можно определить, какой именно детектор сработал.

Физики следили за темновым шумом системы и отключали детекторы, которые вносили наибольший вклад в общий шум. Таких оказывалось всего порядка 58 на 1300 работающих исправно. Кроме этого очень важно следить за тем, чтобы детектор поймал фотон и конечный импульс добрался до шины передачи сигнала. Авторы отметили, что энергия, необходимая для срабатывания шины, на два порядка ниже реальной энергии, которую передает детектор. Единственная проблема, которую пока еще не удалось решить — это повышение эффективности оптического детектирования фотонов, с ней физикам еще предстоит разобраться.

Помимо создания камер на основе сверхпроводниковых детекторов ученые исследуют возможности сверхпроводников и в других направлениях. Например, создают детекторы, способные считать число фотонов (пока только до четырех) или увеличивают их в размере для повышения эффективности.