Avance en nanotecnología: cámara SNSPD ( cámara de fotón único con nanocables superconductores) de 400,000 pixeles, abre nuevas posibilidades en astronomía y medicina.
En el emocionante mundo de la nanotecnología, un equipo de investigadores de EE. UU., compuesto por expertos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, ha logrado un hito impresionante. Han desarrollado la cámara de detector de fotones individuales en nanohilo superconductor (SNSPD) con la resolución más alta hasta la fecha, superando en gran medida los diseños actuales más avanzados.
El Cambio de Juego de los SNSPD
Los SNSPD, que se demostraron por primera vez hace dos décadas, han revolucionado nuestra capacidad de capturar imágenes en niveles de luz extremadamente bajos. Estos dispositivos se componen de una red cuadriculada de nanohilos que se enfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto. Cada nanohilo conduce una corriente eléctrica ligeramente inferior al límite crítico para mantener la superconductividad.
Cuando un fotón impacta en un nanohilo, el calor absorbido interrumpe temporalmente la superconductividad hasta que la energía se disipa. Esto desvía la corriente hacia pequeños elementos resistivos de calentamiento situados en las intersecciones más cercanas entre nanohilos perpendiculares, cada uno conectado a sus propias líneas de lectura independientes. Las señales de estas lecturas funcionan como píxeles individuales, indicando la ubicación de detección de cada fotón.
Innovaciones y Ventajas
Bakhrom Oripov, líder del equipo en NIST, destaca las características atractivas de los SNSPD: "Funcionan para cualquier longitud de onda de fotón hasta 29 mm, algo no posible con muchas otras tecnologías basadas en silicio, y han demostrado eficiencias de detección del 98% a 1550 nm. Además, tienen muy baja incertidumbre en los tiempos de llegada de los fotones y tasas extremadamente bajas de detecciones falsas".
Superando Limitaciones de Resolución
A pesar de estas ventajas, la necesidad de cables de lectura independientes para cada píxel ha dificultado la ampliación de los SNSPD para crear detectores más grandes. Hasta ahora, esto significaba que incluso los dispositivos de mayor resolución tenían poco más de 1000 píxeles.
El equipo de Oripov adoptó un enfoque diferente en el diseño del detector, lo que les permitió detectar fotones usando líneas de lectura dispuestas en paralelo a los nanohilos en cada fila y columna.
Un Diseño Innovador
"En lugar de usar la lectura directa de señales eléctricas de los detectores, primero transformamos esa señal eléctrica en calor en la línea de lectura (generado por un elemento de calentamiento resistivo) y lo usamos para activar pulsos eléctricos contrapropagantes en la línea de lectura", explica Oripov.
Comparando los tiempos de llegada de estos pulsos en cada extremo de una línea de lectura, la cámara puede determinar con precisión el punto a lo largo del nanohilo donde se absorbió el fotón. De esta manera, se genera un píxel en el punto donde el sitio de absorción del fotón detectado en una fila se cruza con una detección en una columna perpendicular.
Menos Líneas de Lectura, Mayor Resolución
A diferencia de diseños anteriores, que requerían un total de N² líneas de lectura para monitorear una matriz de nanohilos N×N, este nuevo diseño puede construir imágenes de fotones individuales con solo 2N líneas de lectura.
Como describe Oripov, esta mejora facilitará enormemente al equipo mejorar la resolución de su diseño. "Demostramos que podemos escalar a un gran número de píxeles sin sacrificar otras propiedades como la sensibilidad a fotones individuales, la fluctuación en la lectura y la cuenta oscura", afirma. Su dispositivo logró un conteo de píxeles de 400,000, unas 400 veces más alto que los diseños de vanguardia existentes. Con más mejoras, están seguros de que este número podría aumentar, abriendo el camino para una nueva generación de SNSPD a gran escala, adecuados para la imagen de fotones individuales en un amplio espectro electromagnético.
Aplicaciones Futuras
Ya, Oripov vislumbra una amplia gama de posibilidades para la nueva tecnología: desde técnicas de astronomía mejoradas para investigar la materia oscura y mapear el universo temprano, hasta nuevas oportunidades en comunicaciones cuánticas e imágenes médicas.
"Con este resultado, hemos captado la atención de algunos astrofísicos y expertos en imágenes biomédicas, todos interesados en colaborar y crear mejores herramientas de imagen", comenta. "Sin duda, es un momento emocionante tanto para nuestro equipo como para nuestros colegas en el campo de la investigación de SNSPD en general".
Este avance no solo representa un logro técnico significativo, sino que también promete abrir nuevos horizontes en múltiples campos científicos y tecnológicos. La era de la nanotecnología está aquí, y sus posibilidades parecen ser tan vastas como el universo que estamos empezando a entender mejor gracias a estos innovadores avances.
Traducido de: Physics World
Más información: Nature.