Eén foton grote, supergeleidende camera met de hoogste resolutie (video)

Er is een supergeleidende camera gebouwd met 400.000 pixels – 400 keer meer dan enig ander apparaat in zijn soort. De camera kan zeer zwakke lichtsignalen vastleggen, of ze nu afkomstig zijn van verre objecten in de ruimte of van delen van het menselijk brein.

De camera bestaat uit roosters van ultradunne elektrische draden, afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt, waarin de stroom zonder weerstand beweegt totdat een draad wordt geraakt door een foton. In deze supergeleidende nanodraadcamera’s kan de energie van zelfs een enkel foton worden gedetecteerd omdat het de supergeleiding op een bepaalde locatie (pixel) op het raster afsluit. Door alle locaties en intensiteiten van alle fotonen te combineren, ontstaat een beeld.

De eerste supergeleidende camera’s die afzonderlijke fotonen konden detecteren, werden meer dan twintig jaar geleden ontwikkeld. Sindsdien bevatten de toestellen niet meer dan een paar duizend pixels – te beperkt voor de meeste toepassingen. Het creëren van een supergeleidende camera met een groter aantal pixels vormde een serieuze uitdaging, omdat het vrijwel onmogelijk zou worden om elke gekoelde pixel van de vele duizenden op zijn eigen uitleesdraad aan te sluiten. Immers, elk supergeleidende component moet worden gekoeld tot ultralage temperaturen en het is vrijwel onmogelijk om elke miljoenen pixels afzonderlijk op het koelsysteem aan te sluiten.

Compineren en kamertemperatuur

Onderzoekers van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (Nist), het Jet Propulsion Laboratory van Nasa in Californië, en de Universiteit van Colorado Boulder overwonnen dat obstakel door de signalen te combineren op slechts een paar uitleesdraden bij kamertemperatuur.

Een algemene eigenschap van elke supergeleidende draad is dat deze de stroom vrijelijk laat stromen tot een bepaalde maximale ‘kritische’ stroom. Om van dat gedrag te profiteren, pasten de onderzoekers een stroom net onder het maximum toe op de sensoren. Onder die omstandigheden, als zelfs maar één enkel foton een pixel raakt, vernietigt het de supergeleiding. De stroom kan niet langer zonder weerstand door de nanodraad stromen en wordt in plaats daarvan afgeleid naar een klein weerstandsverwarmingselement dat op elke pixel is aangesloten. De afgeleide stroom creëert een elektrisch signaal dat snel kan worden gedetecteerd.

Op basis van bestaande technologie heeft het team de camera geconstrueerd met kruisende reeksen supergeleidende nanodraden die meerdere rijen en kolommen vormen. Elke pixel in deze matrix – een klein gebied gecentreerd op het punt waar individuele verticale en horizontale nanodraden elkaar kruisen – wordt op unieke wijze gedefinieerd door de rij en kolom waarin deze ligt.

Dankzij supergeleidende uitleesdraden die evenwijdig aan de rijen en kolommen lopen zonder deze te raken, kon het team de signalen van een hele rij of kolom met pixels tegelijk meten.

Beschouw alleen de supergeleidende uitleesdraad evenwijdig aan de rijen. Wanneer een foton een pixel raakt, verwarmt de afgeleide stroom een klein deel van de uitleesdraad, waardoor een kleine hotspot ontstaat. Die genereert twee spanningspulsen die in tegengestelde richtingen langs de uitleesdraad bewegen en worden geregistreerd door detectoren aan de uiteinden. Het verschil in tijd die nodig is voordat de pulsen bij de einddetectoren aankomen, onthult de kolom waarin de pixel zich bevindt. Een tweede supergeleidende uitleesdraad die evenwijdig aan de kolommen ligt, doet hetzelfde.

De detectoren kunnen verschillen in aankomsttijd van signalen waarnemen van slechts 50 biljoensten van een seconde. Ze kunnen ook tot 100.000 fotonen per seconde tellen die op het raster vallen.

Het komende jaar wil het team de gevoeligheid van de prototypecamera zover verbeteren, zodat deze vrijwel elk binnenkomend foton kan vastleggen. Dat zal de camera in staat stellenom bijvoorbeeld licht te meten in op fotonen gebaseerde kwantumcomputers, en bijdragen aan biomedische onderzoeken waarbij nabij-infraroodlicht wordt gebruikt om in menselijk weefsel te kijken.