Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een van de best presterende camera's gemaakt die ooit zijn samengesteld uit sensoren die afzonderlijke fotonen tellen. of lichtdeeltjes.

Met meer dan 1, 000 sensoren, of pixels, De camera van NIST kan nuttig zijn in toekomstige ruimtetelescopen die zoeken naar chemische tekenen van leven op andere planeten, en in nieuwe instrumenten die zijn ontworpen om te zoeken naar de ongrijpbare 'donkere materie' waarvan wordt aangenomen dat het de meeste 'dingen' in het universum vormt.

Beschreven in Optica Express , de camera bestaat uit sensoren gemaakt van supergeleidende nanodraden, die enkele fotonen kan detecteren. Ze behoren tot de beste fotonentellers in termen van snelheid, efficiëntie, en bereik van kleurgevoeligheid. Een NIST-team gebruikte deze detectoren om Einsteins "spookachtige actie op afstand, " bijvoorbeeld.

De nanodraaddetectoren hebben ook de laagste donkertellingen van elk type fotonsensor, wat betekent dat ze geen valse signalen tellen die worden veroorzaakt door ruis in plaats van fotonen. Deze functie is vooral handig voor het zoeken naar donkere materie en astronomie in de ruimte. Maar voor deze toepassingen zijn camera's nodig met meer pixels en grotere fysieke afmetingen dan voorheen beschikbaar waren, en ze moeten ook licht aan het uiteinde van de infraroodband detecteren, met langere golflengten dan momenteel praktisch is.

De camera van NIST is klein van formaat, een vierkant van 1,6 millimeter aan een kant, maar verpakt met 1, 024-sensoren (32 kolommen bij 32 rijen) om afbeeldingen met een hoge resolutie te maken. De grootste uitdaging was om een ​​manier te vinden om zoveel detectoren te verzamelen en resultaten te verkrijgen zonder oververhitting. De onderzoekers breidden een "uitlees"-architectuur uit die ze eerder demonstreerden met een kleinere camera van 64 sensoren die gegevens uit de rijen en kolommen optelt, een stap in de richting van het voldoen aan de eisen van de National Aeronautics and Space Administration (NASA).

"Mijn belangrijkste motivatie voor het maken van de camera is NASA's Origins Space Telescope-project, die onderzoekt naar het gebruik van deze arrays voor het analyseren van de chemische samenstelling van planeten die om sterren buiten ons zonnestelsel draaien, "NIST-elektronica-ingenieur Varun Verma zei. Elk chemisch element in de atmosfeer van de planeet zou een unieke reeks kleuren absorberen, hij wees erop.

"Het idee is om te kijken naar de absorptiespectra van licht dat door de rand van de atmosfeer van een exoplaneet gaat terwijl het voor zijn moederster langs beweegt, " legde Verma uit. "De absorptiesignaturen vertellen je over de elementen in de atmosfeer, in het bijzonder die welke aanleiding kunnen geven tot leven, zoals water, zuurstof en koolstofdioxide. De handtekeningen voor deze elementen bevinden zich in het midden- tot ver-infraroodspectrum, en grote enkelvoudige foton-tellende detectorarrays bestaan ​​nog niet voor dat deel van het spectrum, dus kregen we een klein bedrag van NASA om te zien of we dat probleem konden helpen oplossen."

Verma en collega's behaalden een hoog fabricagesucces, met 99,5% van de sensoren die goed werken. Maar de efficiëntie van de detector bij de gewenste golflengte is laag. Het verhogen van de efficiëntie is de volgende uitdaging. De onderzoekers hopen ook nog grotere camera's te maken, misschien met een miljoen sensoren.

Andere toepassingen zijn ook mogelijk. Bijvoorbeeld, de NIST-camera's kunnen helpen bij het vinden van donkere materie. Onderzoekers over de hele wereld zijn er niet in geslaagd om zogenaamde zwak interagerende massieve deeltjes (WIMP's) te vinden en overwegen op zoek te gaan naar donkere materie met een lagere energie en massa. Supergeleidende nanodraaddetectoren bieden belofte voor het tellen van emissies van zeldzame, energiearme donkere materie en het onderscheiden van echte signalen van achtergrondruis.

De nieuwe camera is gemaakt in een ingewikkeld proces bij NIST's Microfabrication Facility in Boulder, Colorado. De detectoren zijn vervaardigd op siliciumwafels die in chips zijn gesneden. De nanodraden, gemaakt van een legering van wolfraam en silicium, zijn ongeveer 3,5 millimeter lang, 180 nanometer (nm) breed en 3 nm dik. De bedrading is gemaakt van supergeleidend niobium.

De cameraprestaties zijn gemeten door het Jet Propulsion Laboratory (JPL) van het California Institute of Technology in Pasadena, Californië. JPL beschikt over de nodige elektronica vanwege haar werk aan optische communicatie in de diepe ruimte.