Mehr Pixel könnten alles von der biomedizinischen Bildgebung bis hin zu astronomischen Beobachtungen voranbringen. Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) und ihre Kollegen haben eine supraleitende Kamera mit 400.000 Pixeln gebaut, 400-mal mehr als andere ähnliche Geräte.
Mit geplanten Verbesserungen wird die neue supraleitende Einzelzeilenkamera des NIST mit 400.000 Pixeln, die Kamera mit der höchsten Auflösung ihrer Art, in der Lage sein, astronomische Bilder bei extrem schlechten Lichtverhältnissen aufzunehmen. Bildquelle: Bildelemente von Pixabay und S.Kelley/NIST.
Mit supraleitenden Kameras können Wissenschaftler sehr schwache Lichtsignale erfassen, sei es von entfernten Objekten im Weltraum oder von Teilen des menschlichen Gehirns. Mehr Pixel könnten viele neue Anwendungsbereiche für die wissenschaftliche und biomedizinische Forschung eröffnen.
Die NIST-Kamera besteht aus einem Gitter aus ultradünnen Drähten, die auf nahezu den absoluten Nullpunkt gekühlt werden und durch die der Strom ohne Widerstand fließt, bis die Drähte von Photonen getroffen werden. In diesen supraleitenden Nanodrahtkameras kann die von einem einzelnen Photon abgegebene Energie erfasst werden, da es die Supraleitung an bestimmten Stellen (Pixeln) im Gitter abschaltet. Durch die Kombination der Positionen und Intensitäten aller Photonen entsteht ein Bild.
Diese Animation zeigt das spezielle Auslesesystem, mit dem NIST-Forscher eine 400.000 supraleitende Nanodraht-Einzelphotonenkamera mit der höchsten Auflösung ihrer Art entwickeln konnten. Mit weiteren Verbesserungen wird sich die Kamera ideal für Arbeiten bei schlechten Lichtverhältnissen eignen, etwa für die Abbildung schwacher Galaxien oder Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, für die Messung von Licht in photonenbasierten Quantencomputern und für die biomedizinische Forschung, bei der Nahinfrarotlicht verwendet wird, um in menschliches Gewebe zu blicken. Quelle: S. Kelley/NIST
Vor mehr als zwei Jahrzehnten wurde die erste supraleitende Kamera entwickelt, die einzelne Photonen erfassen kann. Seitdem enthalten diese Geräte nur noch ein paar tausend Pixel, sodass sie für die meisten Anwendungen zu begrenzt sind.
Der Bau supraleitender Kameras mit höheren Pixelzahlen stellt eine große Herausforderung dar, da es nahezu unmöglich ist, jedes der Tausenden eingefrorenen Pixel mit einer eigenen Ausleseleitung zu verbinden. Die Herausforderung ergibt sich aus der Tatsache, dass jedes supraleitende Element der Kamera auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt werden muss, um ordnungsgemäß zu funktionieren, und es nahezu unmöglich ist, jedes der Millionen Pixel einzeln an ein Kühlsystem anzuschließen.
Die NIST-Forscher Adam McCaughan und Bakhrom Oripov und ihre Mitarbeiter am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena, Kalifornien, und der University of Colorado, Boulder, haben dieses Hindernis überwunden, indem sie die Signale von vielen Pixeln auf ein paar Raumtemperatur-Auslesekabeln kombiniert haben.
Eine gemeinsame Eigenschaft jedes supraleitenden Kabels besteht darin, dass es einen freien Stromfluss bis zu einem bestimmten maximalen „kritischen“ Strom ermöglicht. Um diese Eigenschaft auszunutzen, legten die Forscher einen Strom an den Sensor an, der leicht unter dem Maximalwert lag. In diesem Fall zerstört bereits ein einzelnes Photon, das auf ein Pixel trifft, die Supraleitung. Der Strom fließt nicht mehr ohne Widerstand durch die Nanodrähte, sondern wird stattdessen zu kleinen Widerstandsheizelementen geleitet, die mit jedem Pixel verbunden sind. Das durch den Shunt-Strom erzeugte elektrische Signal kann schnell erkannt werden.
Das NIST-Team nutzte bestehende Technologien und baute eine Kamera mit sich überschneidenden Anordnungen supraleitender Nanodrähte, die mehrere Reihen und Spalten bilden, wie die Reihen in einem Tic-Tac-Toe-Spiel. Jedes Pixel ist ein winziger Bereich, der um den Schnittpunkt eines einzelnen vertikalen und horizontalen Nanodrahts zentriert ist – eindeutig definiert durch die Zeile und Spalte, in der er sich befindet.
Diese Anordnung ermöglichte es dem Team, Signale einer ganzen Pixelzeile oder -spalte auf einmal zu messen, anstatt Daten von jedem Pixel aufzuzeichnen, wodurch die Anzahl der Auslesezeilen erheblich reduziert wurde. Zu diesem Zweck platzierten die Forscher eine supraleitende Ausleseleitung parallel zu den Pixelreihen, ohne diese zu berühren, und eine weitere Ausleseleitung parallel zu den Pixelspalten, ohne diese zu berühren.
Es werden nur supraleitende Ausleseleitungen parallel zu den Zeilen und Spalten berücksichtigt. Wenn ein Photon auf ein Pixel trifft, erwärmt der zum Widerstandsheizelement geleitete Strom einen kleinen Teil der Ausleseleitung und erzeugt so einen winzigen Hotspot. Der Hotspot wiederum erzeugt zwei Spannungsimpulse, die sich in entgegengesetzter Richtung entlang der Ausleselinie bewegen und von Detektoren an beiden Enden aufgezeichnet werden. Der Unterschied in der Zeit, in der der Impuls die Detektoren an beiden Enden erreicht, verrät die Spalte, in der sich das Pixel befindet. Eine zweite supraleitende Ausleseleitung parallel zur Säule hat eine ähnliche Funktion.
Der Detektor kann Unterschiede in den Signalankunftszeiten von nur 50 Billionstelsekunden erkennen. Sie können auch die 100.000 Photonen zählen, die jede Sekunde auf das Gitter treffen.
Nachdem das Team eine neue Auslesearchitektur eingeführt hatte, machte Oripov schnelle Fortschritte bei der Erhöhung der Pixelanzahl. Innerhalb weniger Wochen sprang die Anzahl der Pixel von 20.000 auf 400.000. McCown sagte, diese Auslesetechnologie könne leicht auf größere Kameras ausgeweitet werden und supraleitende Einzelphotonenkameras mit Dutzenden oder Hunderten Millionen Pixeln könnten bald verfügbar sein.
Im Laufe des nächsten Jahres plant das Team, die Empfindlichkeit der Prototyp-Kamera zu erhöhen, sodass sie nahezu jedes einfallende Photon erfassen kann. Dies wird es der Kamera ermöglichen, Arbeiten bei schlechten Lichtverhältnissen zu bewältigen, beispielsweise schwache Galaxien oder Planeten außerhalb unseres Sonnensystems abzubilden, Licht in photonenbasierten Quantencomputern zu messen und zur biomedizinischen Forschung beizutragen, die Nahinfrarotlicht verwendet, um in menschliches Gewebe zu blicken.
Die Forscher berichteten über ihre Ergebnisse in der Ausgabe der Zeitschrift Nature vom 26. Oktober.