Los científicos han logrado un avance revolucionario en la tecnología de cámaras, desarrollando una cámara superconductora con una cantidad sin precedentes de píxeles. El “detector de fotones individuales de nanocables superconductores” (SNSPD, por sus siglas en inglés) cuenta con una rejilla de cables superconductores extremadamente estrechos capaces de detectar fotones individuales. Esta nueva cámara cuenta con más de dos órdenes de magnitud más píxeles que los dispositivos anteriores de su tipo. Los investigadores creen que, con una mayor escala, esta tecnología podría revolucionar campos como la astronomía y la imagen cerebral.
La sensibilidad extrema de los detectores superconductores les permite capturar eficazmente incluso las cantidades más pequeñas de luz. Su bajo nivel de ruido de fondo les permite discernir fotones individuales en completa oscuridad casi el 100% del tiempo. Estos detectores pueden operar a velocidades increíblemente altas, detectando hasta un billón de fotones por segundo, y son eficientes en diversas frecuencias del espectro electromagnético.
Uno de los desafíos que enfrentan las cámaras superconductoras es la interferencia entre píxeles, lo que limita el tamaño de estos dispositivos. Por lo general, los científicos aprovechan las señales individuales de cada píxel directamente. Sin embargo, esto requiere equipos voluminosos para mantener los canales superconductores a temperaturas extremadamente bajas. Hasta ahora, no se había construido ningún SNSPD con más de aproximadamente 1000 píxeles.
El reciente avance realizado por Bakhrom Oripov, Adam McCaughan y sus colegas del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y el Laboratorio de Propulsión a Chorro consistió en utilizar una rejilla de detectores superconductores. Trasnducieron las detecciones de fotones individuales de las señales eléctricas en pequeñas cantidades de calor y luego las transformaron nuevamente en salida eléctrica. Al hacerlo, lograron obtener 400,000 píxeles con solo 2N detectores y cuatro “autobuses de lectura”.
Los investigadores crearon una red compuesta por 500 filas y 800 columnas, con cada píxel midiendo solo 5 µm. Utilizaron cables de siliciuro de tungsteno en dos películas delgadas para construir los detectores de filas y columnas. Al aplicar una corriente justo por debajo del valor crítico, pudieron registrar el cambio de flujo libre de resistencia a flujo resistivo causado por la deposición de energía de un solo fotón en cualquier píxel dado.
Para evitar la interferencia entre píxeles, la resistencia desvía una corriente de polarización tanto de los detectores horizontales como verticales que se encuentran en el píxel. Esta corriente conduce a un acoplador térmico al final de cada cable de detección, generando una ráfaga de calor que interrumpe el estado superconductor local en otro cable de siliciuro de tungsteno. Los autobuses de lectura, que consisten de cuatro cables paralelos a un lado de la rejilla, detectan la interrupción momentánea, produciendo pulsos de voltaje que indican en qué fila y columna el fotón golpeó.
Este nuevo esquema de transducción térmica reduce significativamente la interferencia entre píxeles, permitiendo una rápida escalabilidad. En tan solo seis meses, los investigadores aumentaron el conteo de píxeles de 1,000 a 400,000, manteniendo un alto rendimiento de velocidad y bajo ruido de fondo. Lograron más de 100,000 conteos totales por segundo, con solo 0.13 conteos oscuros por segundo.
Las aplicaciones de esta tecnología revolucionaria son amplias. A corto plazo, se podría utilizar para la imagen cerebral, específicamente en la visualización del flujo sanguíneo microvascular. Además, tiene potencial en la imagen cuántica de objetos más pequeños que el límite de difracción. A medida que el número de píxeles aumenta, puede haber un ligero aumento en el tiempo muerto para cada detección y lectura. Sin embargo, los investigadores creen que incluso en matrices grandes, las tasas de conteo seguirán siendo lo suficientemente altas para aplicaciones cuánticas y biomédicas.
En el futuro, los investigadores planean mejorar la eficiencia de detección del sistema y adaptarlo a las longitudes de onda utilizadas en sus aplicaciones objetivo. Prevén construir conjuntos eficientes con unos pocos millones de píxeles para operar a longitudes de onda como los 1550 nm en el próximo año. Este avance en la tecnología de cámaras superconductoras tiene grandes promesas para el avance de las observaciones astronómicas y las técnicas de imagen cerebral, abriendo nuevas posibilidades para comprender nuestro universo y mejorar la atención médica.
Preguntas frecuentes:
1. ¿Qué es el detector de fotones individuales de nanocables superconductores (SNSPD)?
El SNSPD es una tecnología de cámara que cuenta con una rejilla de cables superconductores capaces de detectar fotones individuales. Tiene una cantidad sin precedentes de píxeles, lo que permite una detección de fotones altamente sensible y eficiente.
2. ¿Cuántos píxeles tiene la nueva cámara SNSPD?
La nueva cámara SNSPD cuenta con más de dos órdenes de magnitud más píxeles que los dispositivos anteriores de su tipo, con una rejilla compuesta por 500 filas y 800 columnas, con un total de 400,000 píxeles.
3. ¿Cuáles son las ventajas de los detectores superconductores?
Los detectores superconductores tienen una sensibilidad extrema y un bajo nivel de ruido de fondo, lo que les permite capturar eficazmente incluso las cantidades más pequeñas de luz. Pueden operar a altas velocidades, detectando hasta un billón de fotones por segundo, y son eficientes en diversas frecuencias del espectro electromagnético.
4. ¿Qué es la interferencia entre píxeles en las cámaras superconductoras y cómo se abordó en este avance?
La interferencia entre píxeles es la interferencia que ocurre entre los píxeles en una cámara superconductora, lo que limita su tamaño y rendimiento. Este avance abordó este problema utilizando un nuevo esquema de transducción térmica que reduce significativamente la interferencia entre píxeles. Al transducir las detecciones de fotones individuales en pequeñas cantidades de calor y luego en salida eléctrica, los investigadores lograron obtener 400,000 píxeles con una interferencia reducida.
5. ¿Cuáles son las posibles aplicaciones de esta tecnología de cámara superconductora?
Las aplicaciones de esta tecnología son amplias. A corto plazo, se podría utilizar para la imagen cerebral, específicamente en la visualización del flujo sanguíneo microvascular. También tiene potencial en la imagen cuántica de objetos más pequeños que el límite de difracción. A medida que el número de píxeles aumenta, puede haber un ligero aumento en el tiempo muerto para cada detección y lectura, pero es probable que las tasas de conteo sigan siendo altas para aplicaciones cuánticas y biomédicas.