Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han fabricado una de las cámaras de más alto rendimiento jamás compuestas de sensores que cuentan fotones individuales o partículas de luz.
Con más de 1,000 sensores o píxeles, la cámara del NIST puede ser útil en futuros telescopios espaciales que buscan signos químicos de vida en otros planetas, y en nuevos instrumentos diseñados para buscar la escurridiza "materia oscura" que se cree constituye la mayoríade las "cosas" en el universo.
Descrito en Óptica Express , la cámara consta de sensores hechos de nanocables superconductores, que pueden detectar fotones individuales. Se encuentran entre los mejores contadores de fotones en términos de velocidad, eficiencia y rango de sensibilidad al color. Un equipo de NIST usó estos detectores para demostrar el "espeluznante" de Einsteinacción a distancia ", por ejemplo.
Los detectores de nanocables también tienen las tasas de recuento oscuro más bajas de cualquier tipo de sensor de fotones, lo que significa que no cuentan señales falsas causadas por ruido en lugar de fotones. Esta característica es especialmente útil para búsquedas de materia oscura y astronomía espacial.Pero para estas aplicaciones se requieren cámaras con más píxeles y dimensiones físicas más grandes que las disponibles anteriormente, y también necesitan detectar la luz en el extremo más alejado de la banda infrarroja, con longitudes de onda más largas de lo que es práctico actualmente.
La cámara del NIST es pequeña en tamaño físico, un cuadrado que mide 1,6 milímetros de lado, pero está equipado con 1,024 sensores 32 columnas por 32 filas para hacer imágenes de alta resolución. El principal desafío fue encontrar una manera de cotejar y obtenerresultados de tantos detectores sin sobrecalentamiento. Los investigadores ampliaron una arquitectura de "lectura" que demostraron previamente con una cámara más pequeña de 64 sensores que suma datos de las filas y columnas, un paso para cumplir con los requisitos de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio NASA.
"Mi principal motivación para hacer la cámara es el proyecto del Telescopio Espacial Origins de la NASA, que está estudiando el uso de estos conjuntos para analizar la composición química de los planetas que orbitan estrellas fuera de nuestro sistema solar", dijo el ingeniero electrónico del NIST Varun Verma. Cada elemento químicoEn la atmósfera del planeta absorbería un conjunto único de colores, señaló.
"La idea es observar los espectros de absorción de la luz que pasa a través del borde de la atmósfera de un exoplaneta mientras transita frente a su estrella madre", explicó Verma. "Las firmas de absorción le informan sobre los elementos en la atmósfera, particularmentelos que pueden dar vida, como el agua, el oxígeno y el dióxido de carbono. Las firmas de estos elementos se encuentran en el espectro de infrarrojo medio a lejano, y todavía no existen conjuntos de detectores de conteo de fotones individuales de gran área para eso.región del espectro, por lo que recibimos una pequeña cantidad de fondos de la NASA para ver si podemos ayudar a resolver ese problema ".
Verma y sus colegas lograron un gran éxito de fabricación, con el 99.5% de los sensores funcionando correctamente. Pero la eficiencia del detector a la longitud de onda deseada es baja. El próximo desafío es aumentar la eficiencia. Los investigadores también esperan hacer cámaras aún más grandes, quizás con un millónsensores
También son posibles otras aplicaciones. Por ejemplo, las cámaras NIST pueden ayudar a encontrar materia oscura. Los investigadores de todo el mundo no han podido encontrar las llamadas partículas masivas que interactúan débilmente WIMP y están considerando buscar materia oscura con menor energía yLos detectores de nanocables superconductores son prometedores para contar las emisiones de materia oscura rara y de baja energía y discriminar las señales reales del ruido de fondo.
La nueva cámara se fabricó en un proceso complicado en la Instalación de Microfabricación del NIST en Boulder, Colorado. Los detectores se fabrican en obleas de silicio cortadas en chips. Los nanocables, hechos de una aleación de tungsteno y silicio, miden aproximadamente 3.5 milímetros de largo, 180nanómetros nm de ancho y 3 nm de espesor. El cableado está hecho de niobio superconductor.
El rendimiento de la cámara fue medido por el Laboratorio de Propulsión a Chorro JPL en el Instituto de Tecnología de California en Pasadena, California. JPL tiene la electrónica necesaria debido a su trabajo en comunicaciones ópticas en el espacio profundo.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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