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(noticias nanowerk) Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colegas han construido una cámara superconductora con 400.000 píxeles, 400 veces más que cualquier otro dispositivo de su tipo.
El equipo informa sus resultados en Naturaleza (“Una cámara de fotón único con nanocables superconductores de 400.000 píxeles”).
Utilizando cámaras superconductoras, los científicos pueden detectar señales luminosas muy débiles, ya sea de objetos distantes en el espacio o de partes del cerebro humano. Más píxeles podrían abrir muchas aplicaciones nuevas en la ciencia y la investigación biomédica.
La cámara del NIST consta de rejillas de cables eléctricos ultrafinos enfriados hasta casi el cero absoluto, dentro de los cuales la corriente se mueve sin resistencia hasta que un fotón golpea un cable. En estas cámaras superconductoras de nanocables, la energía transferida por un solo fotón se puede capturar porque desactiva la superconductividad en una ubicación específica (píxel) de la red. La combinación de todas las ubicaciones e intensidades de todos los fotones crea una imagen.
Las primeras cámaras superconductoras capaces de detectar fotones individuales se desarrollaron hace más de 20 años. Desde entonces, los dispositivos sólo contienen unos pocos miles de píxeles, demasiado limitados para la mayoría de las aplicaciones.
Desarrollar una cámara superconductora con una cantidad mucho mayor de píxeles planteó un gran desafío porque sería casi imposible conectar cada píxel enfriado, entre muchos miles, a su propio cable de lectura. El desafío surge del hecho de que cada uno de los componentes superconductores de la cámara debe enfriarse a temperaturas extremadamente bajas para funcionar correctamente, y sería prácticamente imposible conectar individualmente cada píxel entre cientos de miles al sistema de enfriamiento.
Los investigadores del NIST Adam McCaughan y Bakhrom Oripov y sus colaboradores en el Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Pasadena, California, y la Universidad de Colorado Boulder superaron este obstáculo combinando las señales de muchos píxeles en unos pocos cables de lectura a temperatura ambiente.
Una propiedad general de cualquier cable superconductor es que permite que la corriente fluya libremente hasta una cierta corriente máxima «crítica». Para aprovechar este comportamiento, los investigadores aplicaron a los sensores una corriente justo por debajo del máximo. En esta condición, si incluso un solo fotón golpea un píxel, destruye la superconductividad. La corriente ya no puede fluir a través del nanocable sin resistencia y, en cambio, se dirige a un pequeño elemento calefactor resistivo conectado a cada píxel. La corriente secundaria genera una señal eléctrica que puede detectarse rápidamente.
Tomando prestadas tecnologías existentes, el equipo del NIST diseñó la cámara para que tuviera matrices entrecruzadas de nanocables superconductores que formen múltiples filas y columnas, como un juego de tres en raya. Cada píxel, una pequeña área centrada en el punto donde se cruzan los nanocables verticales y horizontales individuales, está definido de forma única por la fila y la columna en la que se encuentra.
Esta disposición permitió al equipo medir las señales de una fila o columna completa de píxeles simultáneamente en lugar de registrar datos de cada píxel individual, lo que redujo drásticamente la cantidad de líneas de lectura. Para ello, los investigadores colocaron un cable de lectura superconductor paralelo a las filas de píxeles sin tocarlos, y otro cable paralelo a las columnas sin tocarlos.
Simplemente considere el cable de lectura superconductor paralelo a las filas. Cuando un fotón golpea un píxel, la corriente que pasa por el elemento calefactor resistivo calienta una pequeña porción del cable de lectura, creando un pequeño punto de acceso. El punto de acceso, a su vez, produce dos pulsos de voltaje que viajan en direcciones opuestas a lo largo del cable de lectura y son registrados por detectores en ambos extremos. La diferencia de tiempo que tardan los pulsos en llegar a los detectores finales revela en qué columna se encuentra el píxel. Un segundo cable de lectura superconductor, que se encuentra paralelo a los pilares, cumple una función similar.
Los detectores pueden detectar diferencias en el tiempo de llegada de señales tan pequeñas como 50 billonésimas de segundo. También pueden contar hasta 100.000 fotones por segundo que llegan a la red.
Después de que el equipo adoptó la nueva arquitectura de lectura, Oripov hizo rápidos progresos en el aumento del número de píxeles. En unas pocas semanas, el número saltó de 20.000 a 400.000 píxeles. La tecnología de lectura se puede ampliar fácilmente a cámaras aún más grandes, dijo McCaughan, y pronto podría estar disponible una cámara superconductora de fotón único con decenas o cientos de millones de píxeles.
Durante el próximo año, el equipo planea mejorar la sensibilidad del prototipo de cámara para que pueda capturar prácticamente cualquier fotón entrante. Esto permitirá que la cámara maneje tareas con poca luz, como obtener imágenes de galaxias o planetas débiles fuera del sistema solar, medir la luz en computadoras cuánticas basadas en fotones y contribuir a estudios biomédicos que utilizan luz infrarroja cercana para observar el tejido humano.
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