Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) criaram uma das câmeras de maior desempenho já composta de sensores que contam fótons únicos, ou partículas de luz.

Com mais de 1, 000 sensores, ou pixels, A câmera do NIST pode ser útil em futuros telescópios espaciais em busca de sinais químicos de vida em outros planetas, e em novos instrumentos projetados para procurar a evasiva "matéria escura" que se acredita constituir a maior parte das "coisas" no universo.

Descrito em Optics Express , a câmera consiste em sensores feitos de nanofios supercondutores, que pode detectar fótons individuais. Eles estão entre os melhores contadores de fótons em termos de velocidade, eficiência, e faixa de sensibilidade de cor. Uma equipe do NIST usou esses detectores para demonstrar a "ação assustadora de Einstein à distância, " por exemplo.

Os detectores de nanofios também têm as taxas de contagem de escuridão mais baixas de qualquer tipo de sensor de fóton, o que significa que eles não contam sinais falsos causados ​​por ruído em vez de fótons. Esse recurso é especialmente útil para pesquisas de matéria escura e astronomia baseada no espaço. Mas câmeras com mais pixels e dimensões físicas maiores do que as disponíveis anteriormente são necessárias para essas aplicações, e eles também precisam detectar a luz na extremidade da banda infravermelha, com comprimentos de onda mais longos do que o atualmente prático.

A câmera do NIST é pequena em tamanho físico, um quadrado medindo 1,6 milímetros de lado, mas embalado com 1, 024 sensores (32 colunas por 32 linhas) para fazer imagens de alta resolução. O principal desafio era encontrar uma maneira de agrupar e obter resultados de tantos detectores sem superaquecimento. Os pesquisadores ampliaram uma arquitetura de "leitura" demonstrada anteriormente com uma câmera menor de 64 sensores que adiciona dados das linhas e colunas, um passo em direção ao cumprimento dos requisitos da Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA).

"Minha principal motivação para fazer a câmera é o projeto Origins Space Telescope da NASA, que está procurando usar essas matrizes para analisar a composição química de planetas orbitando estrelas fora de nosso sistema solar, "O engenheiro eletrônico do NIST, Varun Verma, disse. Cada elemento químico na atmosfera do planeta absorveria um conjunto único de cores, ele apontou.

"A ideia é observar o espectro de absorção da luz que passa pela borda da atmosfera de um exoplaneta enquanto ele transita na frente de sua estrela-mãe, "Verma explicou." As assinaturas de absorção falam sobre os elementos da atmosfera, particularmente aqueles que podem dar origem à vida, como água, oxigênio e dióxido de carbono. As assinaturas para esses elementos estão no espectro infravermelho médio a longo, e matrizes de detecção de contagem de fóton único de área grande ainda não existem para essa região do espectro, então recebemos uma pequena quantia de financiamento da NASA para ver se poderíamos ajudar a resolver esse problema. "

Verma e colegas alcançaram grande sucesso de fabricação, com 99,5% dos sensores funcionando corretamente. Mas a eficiência do detector no comprimento de onda desejado é baixa. Aumentar a eficiência é o próximo desafio. Os pesquisadores também esperam fazer câmeras ainda maiores, talvez com um milhão de sensores.

Outras aplicações também são possíveis. Por exemplo, as câmeras do NIST podem ajudar a encontrar a matéria escura. Pesquisadores ao redor do mundo não conseguiram encontrar as chamadas partículas massivas de interação fraca (WIMPs) e estão considerando procurar matéria escura com menor energia e massa. Os detectores de nanofios supercondutores oferecem uma promessa para a contagem de emissões raras, matéria escura de baixa energia e discriminando sinais reais de ruído de fundo.

A nova câmera foi feita em um processo complicado nas instalações de microfabricação do NIST em Boulder, Colorado. Os detectores são fabricados em pastilhas de silício cortadas em chips. Os nanofios, feito de uma liga de tungstênio e silício, têm cerca de 3,5 milímetros de comprimento, 180 nanômetros (nm) de largura e 3 nm de espessura. A fiação é feita de nióbio supercondutor.

O desempenho da câmera foi medido pelo Jet Propulsion Laboratory (JPL) no California Institute of Technology em Pasadena, Califórnia. O JPL possui a eletrônica necessária devido ao seu trabalho em comunicações ópticas no espaço profundo.