Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har gjort en av de högpresterande kamerorna som någonsin består av sensorer som räknar enstaka fotoner, eller ljuspartiklar.

Med mer än 1, 000 sensorer, eller pixlar, NIST:s kamera kan vara användbar i framtida rymdbaserade teleskop som letar efter kemiska livstecken på andra planeter, och i nya instrument utformade för att söka efter den svårfångade "mörka materien" som tros utgöra de flesta "sakerna" i universum.

Beskrivs i Optik Express , kameran består av sensorer gjorda av supraledande nanotrådar, som kan detektera enstaka fotoner. De är bland de bästa fotonräknarna när det gäller hastighet, effektivitet, och färgkänslighetsintervall. Ett NIST -team använde dessa detektorer för att demonstrera Einsteins "skrämmande handling på avstånd, " till exempel.

Nanotrådsdetektorerna har också de lägsta mörkräknhastigheterna av någon typ av foton sensor, vilket betyder att de inte räknar falska signaler orsakade av brus snarare än fotoner. Denna funktion är särskilt användbar för sökningar i mörk materia och rymdbaserad astronomi. Men kameror med fler pixlar och större fysiska dimensioner än tidigare tillgängliga krävs för dessa applikationer, och de måste också upptäcka ljus längst ut på det infraröda bandet, med längre våglängder än för närvarande praktiskt.

NIST:s kamera är liten i fysisk storlek, en kvadrat som mäter 1,6 millimeter på en sida, men packad med 1, 024 sensorer (32 kolumner med 32 rader) för att göra högupplösta bilder. Den största utmaningen var att hitta ett sätt att samla ihop och få resultat från så många detektorer utan överhettning. Forskarna utökade en "avläsning" -arkitektur som de tidigare visat med en mindre kamera med 64 sensorer som lägger till data från raderna och kolumnerna, ett steg mot att uppfylla kraven från National Aeronautics and Space Administration (NASA).

"Min främsta motivation för att göra kameran är NASA:s Origins Space Telescope -projekt, som funderar på att använda dessa matriser för att analysera den kemiska sammansättningen av planeter som kretsar runt stjärnorna utanför vårt solsystem, "NIST -elektronikingenjör Varun Verma sa. Varje kemiskt element i planetens atmosfär skulle absorbera en unik uppsättning färger, påpekade han.

"Tanken är att titta på absorptionsspektra av ljus som passerar genom kanten av en exoplanets atmosfär när den passerar framför sin föräldrastjärna, "Verma förklarade." Absorptionssignaturerna berättar om elementen i atmosfären, särskilt de som kan ge upphov till liv, som vatten, syre och koldioxid. Signaturerna för dessa element ligger i mellan- till långt-infrarött spektrum, och detektorer för enstaka enkelfotonräknare för stora ytor finns ännu inte för den regionen i spektrumet, så vi fick en liten summa finansiering från NASA för att se om vi kunde hjälpa till att lösa det problemet. "

Verma och kollegor uppnådde stora tillverkningssuccéer, med 99,5% av sensorerna som fungerar korrekt. Men detektoreffektiviteten vid den önskade våglängden är låg. Att öka effektiviteten är nästa utmaning. Forskarna hoppas också kunna göra ännu större kameror, kanske med en miljon sensorer.

Andra applikationer är också möjliga. Till exempel, NIST -kamerorna kan hjälpa till att hitta mörk materia. Forskare runt om i världen har inte lyckats hitta så kallade svagt interagerande massiva partiklar (WIMP) och funderar på att leta efter mörk materia med lägre energi och massa. Superledande nanotrådsdetektorer erbjuder löfte för att räkna ut utsläpp av sällsynta, låg energi mörk materia och diskriminerande verkliga signaler från bakgrundsljud.

Den nya kameran gjordes i en komplicerad process vid NIST:s Microfabrication Facility i Boulder, Colorado. Detektorerna tillverkas på kiselskivor i bitar. Nanotrådarna, tillverkad av en legering av volfram och kisel, är cirka 3,5 millimeter långa, 180 nanometer (nm) bred och 3 nm tjock. Ledningarna är gjorda av supraledande niob.

Kameraprestanda mättes av Jet Propulsion Laboratory (JPL) vid California Institute of Technology i Pasadena, Kalifornien. JPL har nödvändig elektronik på grund av sitt arbete med optisk kommunikation i rymden.