I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno realizzato una delle fotocamere più performanti mai composte da sensori che contano singoli fotoni, o particelle di luce.

Con più di 1, 000 sensori, o pixel, La fotocamera del NIST potrebbe essere utile nei futuri telescopi spaziali alla ricerca di segni chimici di vita su altri pianeti, e in nuovi strumenti progettati per cercare la sfuggente "materia oscura" che si ritiene costituisca la maggior parte della "roba" nell'universo.

Descritto in Ottica Express , la fotocamera è costituita da sensori realizzati con nanofili superconduttori, che può rilevare singoli fotoni. Sono tra i migliori contatori di fotoni in termini di velocità, efficienza, e gamma di sensibilità del colore. Un team del NIST ha usato questi rivelatori per dimostrare "l'azione spettrale di Einstein a distanza, " Per esempio.

I rivelatori a nanofili hanno anche i tassi di buio più bassi di qualsiasi tipo di sensore di fotoni, il che significa che non contano i falsi segnali causati dal rumore piuttosto che dai fotoni. Questa funzione è particolarmente utile per le ricerche sulla materia oscura e l'astronomia spaziale. Ma per queste applicazioni sono necessarie telecamere con più pixel e dimensioni fisiche maggiori rispetto a quelle precedentemente disponibili, e hanno anche bisogno di rilevare la luce all'estremità della banda infrarossa, con lunghezze d'onda più lunghe di quelle attualmente praticabili.

La fotocamera del NIST è di piccole dimensioni fisiche, un quadrato di 1,6 millimetri di lato, ma imballato con 1, 024 sensori (32 colonne per 32 righe) per realizzare immagini ad alta risoluzione. La sfida principale era trovare un modo per raccogliere e ottenere risultati da così tanti rivelatori senza surriscaldarsi. I ricercatori hanno esteso un'architettura di "lettura" che avevano precedentemente dimostrato con una fotocamera più piccola di 64 sensori che somma i dati delle righe e delle colonne, un passo avanti per soddisfare i requisiti della National Aeronautics and Space Administration (NASA).

"La mia motivazione principale per realizzare la fotocamera è il progetto Origins Space Telescope della NASA, che sta esaminando l'utilizzo di questi array per analizzare la composizione chimica dei pianeti in orbita attorno a stelle al di fuori del nostro sistema solare, " Ha detto l'ingegnere elettronico del NIST Varun Verma. Ogni elemento chimico nell'atmosfera del pianeta assorbirebbe un insieme unico di colori, ha sottolineato.

"L'idea è di guardare gli spettri di assorbimento della luce che passa attraverso il bordo dell'atmosfera di un esopianeta mentre transita davanti alla sua stella madre, " Spiegò Verma. "Le firme di assorbimento ti parlano degli elementi nell'atmosfera, in particolare quelli che potrebbero dare origine alla vita, come l'acqua, ossigeno e anidride carbonica. Le firme per questi elementi sono nello spettro del medio e lontano infrarosso, e per quella regione dello spettro non esistono ancora array di rivelatori per il conteggio di un singolo fotone di grandi dimensioni, quindi abbiamo ricevuto una piccola quantità di finanziamenti dalla NASA per vedere se potevamo aiutare a risolvere quel problema".

Verma e colleghi hanno ottenuto un elevato successo di fabbricazione, con il 99,5% dei sensori che funzionano correttamente. Ma l'efficienza del rivelatore alla lunghezza d'onda desiderata è bassa. Aumentare l'efficienza è la prossima sfida. I ricercatori sperano anche di realizzare fotocamere ancora più grandi, magari con un milione di sensori.

Sono possibili anche altre applicazioni. Per esempio, le telecamere del NIST possono aiutare a trovare la materia oscura. I ricercatori di tutto il mondo non sono stati in grado di trovare le cosiddette particelle massive debolmente interagenti (WIMP) e stanno considerando la ricerca di materia oscura con energia e massa inferiori. I rilevatori di nanofili superconduttori offrono la promessa di contare le emissioni di rari, materia oscura a bassa energia e discriminare i segnali reali dal rumore di fondo.

La nuova fotocamera è stata realizzata con un processo complicato presso la Microfabrication Facility del NIST a Boulder, Colorado. I rivelatori sono fabbricati su wafer di silicio tagliati a dadini in chip. I nanofili, fatto di una lega di tungsteno e silicio, sono lunghi circa 3,5 millimetri, 180 nanometri (nm) di larghezza e 3 nm di spessore. Il cablaggio è realizzato in niobio superconduttore.

Le prestazioni della fotocamera sono state misurate dal Jet Propulsion Laboratory (JPL) presso il California Institute of Technology di Pasadena, California. JPL ha l'elettronica necessaria grazie al suo lavoro sulle comunicazioni ottiche nello spazio profondo.