Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han fabricado una de las cámaras de mayor rendimiento jamás compuestas por 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 busquen signos químicos de vida en otros planetas. y en nuevos instrumentos diseñados para buscar la elusiva "materia oscura" que se cree que constituye la mayor parte de la "materia" del universo.

Descrito en Óptica Express , la cámara consta de sensores hechos de nanocables superconductores, que puede detectar fotones individuales. Se encuentran entre los mejores contadores de fotones en términos de velocidad, eficiencia, y rango de sensibilidad al color. Un equipo del NIST utilizó estos detectores para demostrar la "acción espeluznante de Einstein a distancia, " por ejemplo.

Los detectores de nanocables también tienen las tasas de recuento de oscuridad más bajas de cualquier tipo de sensor de fotones, lo que significa que no cuentan las señales falsas causadas por el ruido en lugar de los fotones. Esta función 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 actualmente es práctico.

La cámara del NIST es pequeña en tamaño físico, un cuadrado de 1,6 milímetros de lado, pero lleno de 1, 024 sensores (32 columnas por 32 filas) para realizar imágenes de alta resolución. El principal desafío fue encontrar una manera de cotejar y obtener resultados de tantos detectores sin sobrecalentamiento. Los investigadores ampliaron una arquitectura de "lectura" que demostraron anteriormente con una cámara más pequeña de 64 sensores que suma datos de las filas y columnas. un paso hacia el cumplimiento de 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 estas matrices para analizar la composición química de los planetas que orbitan estrellas fuera de nuestro sistema solar, "El ingeniero electrónico del NIST, Varun Verma, dijo. Cada elemento químico en la atmósfera del planeta absorbería un conjunto único de colores, señaló.

"La idea es observar los espectros de absorción de la luz que atraviesa el borde de la atmósfera de un exoplaneta mientras transita frente a su estrella madre, "Verma explicó." Las firmas de absorción te dicen acerca de los elementos en la atmósfera, particularmente aquellos que puedan dar lugar a la vida, como el agua, oxígeno y dióxido de carbono. Las firmas de estos elementos se encuentran en el espectro del infrarrojo medio a lejano, y aún no existen matrices de detectores de conteo de fotones individuales de área grande para esa región del espectro, así que recibimos una pequeña cantidad de fondos de la NASA para ver si podíamos 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. Impulsar la eficiencia es el próximo desafío. Los investigadores también esperan hacer cámaras aún más grandes, quizás con un millón de sensores.

También son posibles otras aplicaciones. Por ejemplo, las cámaras del NIST pueden ayudar a encontrar la materia oscura. Los investigadores de todo el mundo no han podido encontrar las llamadas partículas masivas de interacción débil (WIMP) y están considerando buscar materia oscura con menor energía y masa. Los detectores de nanocables superconductores son prometedores para contar las emisiones de raras, materia oscura de baja energía y discriminando señales reales del ruido de fondo.

La nueva cámara se fabricó en un proceso complicado en las instalaciones de microfabricación de NIST en Boulder, Colorado. Los detectores se fabrican en obleas de silicio cortadas en cubitos. Los nanocables hecho de una aleación de tungsteno y silicio, miden unos 3,5 milímetros de largo, 180 nanómetros (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.