Una cámara para detectar partículas de luz alcanza los 400.000 píxeles

Una cámara superconductora que contiene 400.000 píxeles, 400 veces más que cualquier otro dispositivo de su tipo, ha sido construdio en el NIST (National Institute of Standards and Technology) de EEUU.

Las cámaras superconductoras permiten a los científicos capturar señales de luz muy débiles, ya sea de objetos distantes en el espacio o de partes del cerebro humano. Tener más píxeles podría abrir muchas aplicaciones nuevas en la ciencia y la investigación biomédica. El avance se publica en la revista Nature.

La cámara del NIST está formada por rejillas de cables eléctricos ultrafinos, enfriados hasta casi el cero absoluto, en las que la corriente se mueve sin resistencia hasta que un fotón golpea un cable. En estas cámaras de nanocables superconductores, la energía impartida incluso por un solo fotón (o partícula de luz) se puede detectar porque apaga la superconductividad en una ubicación particular (píxel) de la red. La combinación de todas las ubicaciones e intensidades de todos los fotones forma una imagen.

Las primeras cámaras superconductoras capaces de detectar fotones individuales se desarrollaron hace más de 20 años. Desde entonces, los dispositivos no han contenido más que unos pocos miles de píxeles, algo demasiado limitado para la mayoría de las aplicaciones.

Crear una cámara superconductora con una mayor cantidad de píxeles ha planteado un serio desafío porque sería casi imposible conectar cada píxel enfriado entre muchos miles a su propio cable de lectura. El desafío surge del hecho de que cada uno de los componentes superconductores de la cámara debe enfriarse a temperaturas ultrabajas para funcionar correctamente, y conectar individualmente cada píxel entre millones al sistema de enfriamiento sería prácticamente imposible.

Los investigadores del NIST Adam McCaughan y Bakhrom Oripov y sus colaboradores en el Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Pasadena, California, y la Universidad de Colorado Boulder superaron ese obstáculo combinando las señales de muchos píxeles en unos pocos cables de lectura de temperatura ambiente.

Una propiedad general de cualquier cable superconductor es que permite que la corriente fluya libremente hasta una cierta corriente máxima "crítica". Para aprovechar ese comportamiento, los investigadores aplicaron a los sensores una corriente justo por debajo del máximo. Bajo esa condición, si incluso un solo fotón golpea un píxel, destruye la superconductividad. La corriente ya no puede fluir sin resistencia a través del nanocable y, en cambio, se desvía a un pequeño elemento calefactor resistivo conectado a cada píxel. La corriente desviada crea una señal eléctrica que puede detectarse rápidamente.

Tomando prestada la tecnología existente, el equipo del NIST construyó la cámara para que tuviera conjuntos de nanocables superconductores que se cruzan y que forman múltiples filas y columnas, como las de un juego de tres en raya. Cada píxel (una pequeña región centrada en el punto donde se cruzan los nanocables verticales y horizontales individuales) está definido de forma única por la fila y la columna en la que se encuentra.

Esa disposición permitió al equipo medir las señales provenientes de una fila o columna completa de píxeles a la vez en lugar de registrar datos de cada píxel individual, lo que redujo drásticamente la cantidad de cables de lectura. Para hacerlo, los investigadores colocaron un cable de lectura superconductor paralelo pero sin tocar las filas de píxeles, y otro cable paralelo pero sin tocar las columnas.

Cuando un fotón golpea un píxel, la corriente desviada hacia el elemento calefactor resistivo calienta una pequeña parte del cable de lectura, creando un pequeño punto de acceso. El punto de acceso, a su vez, genera dos pulsos de voltaje que viajan en direcciones opuestas a lo largo del cable de lectura, que son registrados por detectores en cada extremo. La diferencia de tiempo que tardan los pulsos en llegar a los detectores finales revela la columna en la que reside el píxel. Un segundo cable de lectura superconductor que se encuentra paralelo a las columnas cumple una función similar.

Los detectores pueden discernir diferencias en el tiempo de llegada de señales de hasta 50 billonésimas de segundo. También pueden contar hasta 100.000 fotones por segundo que impactan en la red.

Una vez que el equipo adoptó la nueva arquitectura de lectura, Oripov avanzó rápidamente en el aumento del número de píxeles. En cuestión de semanas, el número saltó de 20.000 a 400.000 píxeles. La tecnología de lectura se puede ampliar fácilmente para cámaras aún más grandes, dijo en un comunicado McCaughan, y pronto podría estar disponible una cámara superconductora de fotón único con decenas o cientos de millones de píxeles.

Durante el próximo año, el equipo planea mejorar la sensibilidad del prototipo de cámara para que pueda capturar prácticamente todos los fotones entrantes. Esto permitirá a la cámara abordar tareas con poca luz, como obtener imágenes de galaxias o planetas débiles que se encuentran más allá del sistema solar, medir la luz en computadoras cuánticas basadas en fotones y contribuir a estudios biomédicos que utilizan luz infrarroja cercana para observar el tejido humano.