Разработана новая сверхпроводящая камера с 400,000 пикселей, обеспечивающая беспрецедентные возможности для низкошумовой, высококачественной съемки в астрономии и квантовых технологиях.
При изучении слабых небесных объектов, таких как далекие звезды и экзопланеты, важно фиксировать каждый фотон для максимального научного результата. Камеры для таких задач должны работать с крайне низким уровнем шума и улавливать малейшие количества света – отдельные фотоны.
Ранее сверхпроводящие камеры, хотя и удовлетворяли требованиям низкого шума и высокой чувствительности, ограничивались небольшими размерами, не превышающими несколько тысяч пикселей, что ограничивало их способность создавать высококачественные изображения. Однако исследовательская группа совершила прорыв, создав сверхпроводящую камеру с 400,000 пикселей. Это достижение позволяет улавливать слабые астрономические сигналы в широком спектре, от ультрафиолетовых до инфракрасных волн.
Камера с 400,000 пикселей
Камера с 400,000 пикселей основана на сверхпроводящих нанопроводах-детекторах одиночных фотонов. Такие камеры привлекают для астрономических миссий благодаря своей крайне низкошумовой работе. Важно, чтобы камера точно фиксировала количество полученного света без искажения данных или внесения ложных сигналов. Сверхпроводящие детекторы способны на это благодаря низкотемпературному режиму работы и уникальному составу.
Преодоление ограничений
Для преодоления ограничений небольшого размера камер, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST), Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) и Университета Колорадо в Боулдере применили технологию временного мультиплексирования для двумерных массивов детекторов. Эти нанопровода располагаются пересекающимися рядами и колонками. Время, за которое фотон активирует детекторы рядов и колонок, позволяет определить, какой пиксель отправил сигнал. Этот метод позволяет камере эффективно кодировать свои многочисленные ряды и колонки на несколько сигнальных проводов.
Применение в поисках экзопланет
Одной из самых захватывающих возможностей новой камеры является поиск планет, похожих на Землю, за пределами Солнечной системы. Для этого будущие космические телескопы будут наблюдать далекие звезды и искать слабые следы света от планет. Эти сигналы очень сложно обнаружить и анализировать, и для этого требуются очень долгие экспозиции, где каждая частица света чрезвычайно ценна. Надежная низкошумовая камера будет критически важна для обнаружения этих малых количеств света.
Применение на Земле
Камеры на основе SNSPD также могут использоваться на Земле для обнаружения оптических сигналов связи с межпланетных миссий. NASA уже демонстрирует эту возможность через проект Deep Space Optical Communications (DSOC), который передает данные с космического аппарата Psyche на наземную станцию с использованием камеры SNSPD.
Будущие перспективы
Исследователи планируют продолжить оптимизацию камеры для космических приложений. Текущие демонстрации доказали концепцию, но для полного раскрытия потенциала необходимо дальнейшее совершенствование. В будущем планируются демонстрации камер с ультравысокой эффективностью, чтобы подтвердить полезность этой новой технологии как в ультрафиолетовом, так и в инфракрасном диапазоне.