Nghiên cứu và phát triển máy ảnh siêu dẫn 400.000 pixel của NIST đã đạt được tiến bộ đột phá

Có nhiều pixel hơn có thể nâng cao mọi thứ, từ chụp ảnh y sinh đến quan sát thiên văn. Các nhà nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) và các đồng nghiệp của họ đã chế tạo được một chiếc camera siêu dẫn có 400.000 pixel, gấp 400 lần so với các thiết bị tương tự khác.

Với những cải tiến đã được lên kế hoạch, máy ảnh siêu dẫn đơn dòng 400.000 pixel mới của NIST, máy ảnh có độ phân giải cao nhất thuộc loại này, sẽ có khả năng chụp ảnh thiên văn trong điều kiện ánh sáng cực yếu. Nguồn hình ảnh: Các phần tử hình ảnh từ Pixabay và S.Kelley/NIST.

Camera siêu dẫn cho phép các nhà khoa học thu được những tín hiệu ánh sáng rất mờ, cho dù chúng đến từ các vật thể ở xa trong không gian hay từ các bộ phận của não người. Việc có nhiều pixel hơn có thể mở ra nhiều lĩnh vực ứng dụng mới cho nghiên cứu khoa học và y sinh.

Camera NIST được làm từ một mạng lưới các dây siêu mịn được làm lạnh đến gần độ không tuyệt đối, qua đó dòng điện di chuyển mà không có bất kỳ lực cản nào cho đến khi dây dẫn bị các photon chạm vào. Trong các camera dây nano siêu dẫn này, năng lượng được cung cấp bởi ngay cả một photon đơn lẻ cũng có thể được phát hiện vì nó tắt tính siêu dẫn tại các vị trí (pixel) cụ thể trên lưới. Sự kết hợp vị trí và cường độ của tất cả các photon sẽ tạo ra một hình ảnh.

Hoạt hình này mô tả hệ thống đọc đặc biệt cho phép các nhà nghiên cứu của NIST tạo ra máy ảnh đơn photon dây nano 400.000 siêu dẫn có độ phân giải cao nhất trong loại này. Với những cải tiến hơn nữa, máy ảnh này sẽ lý tưởng cho các công việc có ánh sáng yếu như chụp ảnh các thiên hà hoặc hành tinh mờ bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta, đo ánh sáng trong máy tính lượng tử dựa trên photon và nghiên cứu y sinh sử dụng ánh sáng cận hồng ngoại để nhìn vào mô người. Nguồn: S. Kelley/NIST

Máy ảnh siêu dẫn đầu tiên có khả năng phát hiện các photon đơn lẻ đã được phát triển cách đây hơn hai thập kỷ. Kể từ đó, các thiết bị này chỉ chứa không quá vài nghìn pixel, khiến chúng trở nên quá hạn chế đối với hầu hết các ứng dụng.

Việc chế tạo máy ảnh siêu dẫn có số lượng pixel cao hơn là một thách thức nghiêm trọng vì gần như không thể kết nối từng pixel trong số hàng nghìn pixel bị đóng băng với đường đọc của riêng nó. Thách thức bắt nguồn từ thực tế là mỗi thành phần siêu dẫn của máy ảnh phải được làm lạnh đến nhiệt độ cực lạnh để hoạt động bình thường và việc kết nối riêng lẻ từng pixel trong số hàng triệu pixel với hệ thống làm mát là điều gần như không thể.

Các nhà nghiên cứu Adam McCaughan và Bakhrom Oripov của NIST cùng các cộng tác viên của họ tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA (JPL) ở Pasadena, California và Đại học Colorado, Boulder, đã vượt qua trở ngại này bằng cách kết hợp tín hiệu từ nhiều pixel trên một số dây dẫn tín hiệu ở nhiệt độ phòng.

Đặc tính chung của bất kỳ loại cáp siêu dẫn nào là nó cho phép dòng điện chạy tự do đến một dòng điện " tới hạn" tối đa nhất định. Để tận dụng đặc tính này, các nhà nghiên cứu đã áp một dòng điện thấp hơn giá trị tối đa một chút vào cảm biến. Trong trường hợp này, ngay cả một photon đơn lẻ chạm vào một pixel cũng sẽ phá hủy tính siêu dẫn. Dòng điện không còn chạy qua các dây nano mà không có điện trở mà thay vào đó được chuyển sang các phần tử gia nhiệt có điện trở nhỏ được kết nối với từng pixel. Tín hiệu điện được tạo ra bởi dòng điện shunt có thể được phát hiện nhanh chóng.