Des scientifiques développent une caméra supraconductrice à photon unique de la plus haute résolution

Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et leurs collègues ont construit une caméra supraconductrice contenant 400 000 pixels, soit 400 fois plus que tout autre appareil de ce type.

Les caméras supraconductrices permettent aux scientifiques de capturer des signaux lumineux très faibles, qu’ils proviennent d’objets éloignés dans l’espace ou de parties du cerveau humain. Avoir plus de pixels pourrait ouvrir la voie à de nombreuses nouvelles applications dans la recherche scientifique et biomédicale. Les chercheurs ont rendu compte de leurs travaux dans l’édition du 26 octobre de Nature.

La caméra du NIST est constituée de grilles de fils électriques ultrafins, refroidis jusqu’au zéro absolu, dans lesquels le courant se déplace sans résistance jusqu’à ce qu’un fil soit frappé par un photon. Dans ces caméras à nanofils supraconducteurs, l’énergie transmise même par un seul photon peut être détectée car elle coupe la supraconductivité à un endroit particulier (pixel) de la grille. La combinaison de tous les emplacements et intensités de tous les photons constitue une image.

Les premières caméras supraconductrices capables de détecter des photons uniques ont été développées il y a plus de 20 ans. Depuis, les appareils ne contiennent plus que quelques milliers de pixels, ce qui est trop limité pour la plupart des applications.

Créer une caméra supraconductrice avec un plus grand nombre de pixels a posé un défi de taille car il deviendrait pratiquement impossible de connecter chaque pixel refroidi parmi plusieurs milliers à son propre fil de lecture. Le défi vient du fait que chacun des composants supraconducteurs de la caméra doit être refroidi à des températures ultra-basses pour fonctionner correctement, et que connecter individuellement chaque pixel parmi des millions au système de refroidissement serait pratiquement impossible.

Les chercheurs du NIST Adam McCaughan et Bakhrom Oripov et leurs collaborateurs du Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, en Californie, et de l’Université du Colorado à Boulder ont surmonté cet obstacle en combinant les signaux de nombreux pixels sur quelques fils de lecture à température ambiante.

Une propriété générale de tout fil supraconducteur est qu’il permet au courant de circuler librement jusqu’à un certain courant « critique » maximum. Pour profiter de ce comportement, les chercheurs ont appliqué un courant juste en dessous du maximum aux capteurs. Dans ces conditions, même si un seul photon frappe un pixel, il détruit la supraconductivité. Le courant ne peut plus circuler sans résistance à travers le nanofil et est plutôt dérivé vers un petit élément chauffant résistif connecté à chaque pixel. Le courant dérivé crée un signal électrique qui peut être rapidement détecté.

En empruntant à la technologie existante, l’équipe du NIST a construit la caméra de manière à ce qu’elle comporte des réseaux de nanofils supraconducteurs qui se croisent et forment plusieurs rangées et colonnes, comme celles d’un jeu de tic-tac-toe. Chaque pixel, une minuscule région centrée sur le point de croisement des nanofils verticaux et horizontaux, est défini de manière unique par la ligne et la colonne dans lesquelles il se trouve.

Cet arrangement a permis à l’équipe de mesurer les signaux provenant d’une ligne ou d’une colonne entière de pixels à la fois plutôt que d’enregistrer les données de chaque pixel individuel, réduisant ainsi considérablement le nombre de fils de lecture. Pour ce faire, les chercheurs ont placé un fil de lecture supraconducteur parallèlement aux rangées de pixels mais sans les toucher, et un autre fil parallèle mais sans toucher les colonnes.

Considérons uniquement le fil de lecture supraconducteur parallèle aux rangées. Lorsqu’un photon frappe un pixel, le courant dérivé dans l’élément chauffant résistif réchauffe une petite partie du fil de lecture, créant ainsi un petit point chaud. Le point chaud, à son tour, génère deux impulsions de tension se propageant dans des directions opposées le long du fil de lecture, qui sont enregistrées par des détecteurs situés à chaque extrémité. La différence de temps nécessaire pour que les impulsions arrivent aux détecteurs d’extrémité révèle la colonne dans laquelle réside le pixel. Un deuxième fil de lecture supraconducteur parallèle aux colonnes remplit une fonction similaire.

Les détecteurs peuvent discerner des différences dans le temps d’arrivée de signaux aussi courts que 50 billionièmes de seconde. Ils peuvent également compter jusqu’à 100 000 photons par seconde frappant la grille.

Une fois que l’équipe a adopté la nouvelle architecture de lecture, Oripov a rapidement progressé dans l’augmentation du nombre de pixels. En quelques semaines, ce nombre est passé de 20 000 à 400 000 pixels. La technologie de lecture peut facilement être étendue à des caméras encore plus grandes, a déclaré McCaughan, et une caméra supraconductrice à photon unique dotée de dizaines ou de centaines de millions de pixels pourrait bientôt être disponible.

Au cours de la prochaine année, l’équipe prévoit d’améliorer la sensibilité du prototype de caméra afin qu’il puisse capturer pratiquement tous les photons entrants. Cela permettra à la caméra de s’attaquer à des projets dans des conditions de faible luminosité telles que l’imagerie de galaxies ou de planètes faibles situées au-delà du système solaire, la mesure de la lumière dans des ordinateurs quantiques à photons et la contribution à des études biomédicales utilisant la lumière proche infrarouge pour scruter les tissus humains. .