【光电进展】最高分辨率单光子超导相机问世

据Photonics Online网站报道，美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员制造了一台包含40万像素的超导相机，分辨率是同类设备的400倍。

NIST相机由冷却至接近绝对零度的超细电线网格组成，电流在其中无阻力移动直到电线被光子击中。这款超导相机关闭了网格上特定位置（像素）的超导性，将所有光子的位置和强度结合构成图像，所以单个光子所传递的能量也可以被检测到。

超导相机的每个超导组件都必须冷却到超低温才能正常工作，而将数十万像素中的每个像素单独连接到冷却系统几乎不可能。NIST研究人员以及合作者将来自多个像素的信号组合到几条室温读出线上，克服了这一障碍。

为利用超导线材的一般特性——允许电流自由流动直至达到最大“临界”电流，研究人员向传感器施加了略低于最大值的电流。在这种情况下，即使单个光子撞击一个像素也会破坏超导性。电流不再无电阻流过纳米线，而是被分流到连接每个像素的小型电阻加热元件，分流电流产生可以快速检测的电信号。

借鉴现有技术，NIST团队构建了一个由超导纳米线组成的多行多列交叉阵列，能够一次测量来自整行或整列像素的信号，而不是记录来自每个单独像素的数据，从而大大减少读出导线的数量。

当光子撞击像素时，会产生一个微小热点。热点反过来产生两个电压脉冲，由两端的检测器记录。脉冲到达末端检测器所需的时间差揭示了像素所在的列。探测器可以辨别短至50万亿分之一秒的信号到达时间的差异。

团队采用新的读出架构，在增加像素数量方面取得了快速进展。在几周内，像素数量从2万跃升至40万像素。读出技术可以很容易地扩展到更大的相机，具有数千万或数亿像素的超导单光子相机很快就会问世。

（天津津航技术物理研究所 张雨彤）

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