Câmera supercondutora ultrassensível agora em alta resolução

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/10/2023

Câmeras supercondutoras são tão sensíveis que conseguem capturar fótons individuais.
[Imagem: S. Kelley/NIST/Pixabay]

Câmera supercondutora

Uma câmera supercondutora com 400.000 píxeis - 400 vezes mais do que qualquer outro sensor desse tipo - irá fazer a diferença em aplicações que vão do imageamento do cérebro humano à observação de corpos celestes distantes ou de luz muito tênue, como os exoplanetas.

Câmeras supercondutoras permitem capturar sinais de luz muito fracos porque seus sensores são tão sensíveis que conseguem capturar fótons individuais. E ter mais píxeis promete não apenas melhorar as aplicações atuais, como abrir muitas novas aplicações na ciência e na pesquisa biomédica.

A nova câmera é composta de grades de fios elétricos ultrafinos, resfriados até quase o zero absoluto, nos quais a corrente elétrica se move sem resistência até que um fio seja atingido por um fóton. Nessas câmeras de nanofios supercondutores, a energia transmitida até mesmo por um único fóton pode ser detectada porque desliga a supercondutividade em um local específico (píxel) da grade. A combinação de todas as localizações e intensidades de todos os fótons forma uma imagem.

Mas não se trata apenas de resolução: As câmeras supercondutoras são muito rápidas. Os detectores conseguem discernir diferenças no tempo de chegada dos fótons tão curtos quanto 50 trilionésimos de segundo. E eles também podem contar até 100.000 fótons por segundo atingindo cada píxel.

A solução técnica da equipe permitirá ampliar rapidamente a resolução dessas câmeras supersensíveis.
[Imagem: B. G. Oripov et al. - 10.1038/s41586-023-06550-2]

Câmera de fóton único

As câmeras de fóton único existem há vários anos, mas desenvolver uma câmera supercondutora com um número significativo de píxeis vinha sendo um sério desafio porque seria praticamente impossível conectar cada píxel resfriado, entre muitos milhares, ao seu próprio fio de leitura.

Bakhrom Oripov e colegas de várias instituições superaram esse obstáculo combinando os sinais de muitos píxeis em apenas alguns fios de leitura à temperatura ambiente, evitando o problema de resfriar cada fio.

Uma propriedade geral de qualquer fio supercondutor é que ele permite que a corrente flua livremente até uma certa corrente crítica máxima. Para aproveitar esse comportamento, os pesquisadores aplicaram uma corrente logo abaixo do máximo aos sensores. Nessa condição, mesmo que um único fóton atinja um píxel, ele desativará a supercondutividade. A corrente não consegue mais fluir sem resistência através do nanofio e, em vez disso, é desviada para um pequeno elemento de aquecimento resistivo conectado a cada píxel. A corrente desviada cria um sinal elétrico que pode ser rapidamente detectado e a intensidade do sinal é lida como a cor do fóton que chegou.

O CCD dessa câmera é formado por matrizes de nanofios supercondutores que se cruzam, formando múltiplas linhas e colunas, como aquelas em um jogo da velha. Cada píxel - a pequena região centrada no ponto onde os nanofios verticais e horizontais se cruzam - tem um endereço único definido pela linha e coluna em que se encontra.

Esse arranjo permite medir os sinais provenientes de uma linha ou coluna inteira de píxeis de cada vez, em vez de registrar dados de cada píxel individual, reduzindo drasticamente o número de fios de leitura. Aí foi só ir adicionando mais píxeis, até chegar aos 400.000 deste protótipo. Mas este número agora deverá crescer rapidamente.

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