美國(guó)NIST研制出1024個(gè)可對(duì)單光子或光粒子計(jì)數(shù)傳感器組成的高分辨率相機(jī)

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會(huì)（NIST）的研究人員制造出有史以來(lái)性能最佳的相機(jī)，該相機(jī)由可對(duì)單光子或光粒子計(jì)數(shù)的傳感器組成。NIST的這款相機(jī)擁有1000多個(gè)傳感器（每個(gè)傳感器可以稱為像素），未來(lái)它可能用于天基望遠(yuǎn)鏡來(lái)尋找其它行星上生命的化學(xué)跡象，以及用于新儀器來(lái)尋找難以捉摸的“暗物質(zhì)”。暗物質(zhì)被認(rèn)為是構(gòu)成宇宙中大部分物質(zhì)的“材料”。

NIST研制出1024個(gè)可對(duì)單光子或光粒子計(jì)數(shù)傳感器組成的高分辨率相機(jī)

圖為NIST高分辨率相機(jī)的顯微照片，該相機(jī)由1024個(gè)可對(duì)單光子或光粒子計(jì)數(shù)的傳感器組成。這款相機(jī)是專為未來(lái)天基望遠(yuǎn)鏡而設(shè)計(jì)，可用以尋找其它行星上生命的化學(xué)跡象。該32 x 32傳感器陣列可通過(guò)周圍環(huán)繞的粉色引線和金色引線連接到編譯數(shù)據(jù)的電子設(shè)備上。（圖片來(lái)源：NIST）

據(jù)Optics Express上發(fā)表的研究顯示，NIST這款相機(jī)由超導(dǎo)納米線制成的傳感器組成，可探測(cè)單光子。從速度、效率和感色靈敏度范圍等方面來(lái)看，它們是最好的光子計(jì)數(shù)器之一。NIST的團(tuán)隊(duì)使用這些探測(cè)器來(lái)解釋愛(ài)因斯坦的“鬼魅般的超距作用”。

納米線探測(cè)器的暗計(jì)數(shù)率低于任何類型的光子傳感器，這意味著它們不會(huì)計(jì)數(shù)由噪聲而非光子引起的誤報(bào)信號(hào)。該特性對(duì)暗物質(zhì)搜索和天基天文學(xué)特別有用。但是，這些應(yīng)用均需要比以往更高像素、更大物理尺寸的相機(jī)，而且這類相機(jī)還需探測(cè)遠(yuǎn)紅外波段，該波段波長(zhǎng)比目前實(shí)際探測(cè)的波長(zhǎng)要長(zhǎng)。

NIST這款相機(jī)的尺寸很小，是個(gè)邊長(zhǎng)僅為1.6mm的正方體，但它搭載了1024個(gè)傳感器（32 x 32），用以實(shí)現(xiàn)高分辨率圖像。制造該款相機(jī)的主要挑戰(zhàn)是：在不出現(xiàn)過(guò)熱的情況下，尋找到從數(shù)量如此多的探測(cè)器中整理并獲得有效結(jié)果的方法。研究人員利用搭載64個(gè)傳感器組成的更小尺寸的相機(jī)，擴(kuò)展了他們先前展示的“讀出”構(gòu)架，這一改進(jìn)是向著美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的要求又邁進(jìn)了一步。

“我研發(fā)這款相機(jī)的初衷是為了NASA的起源太空望遠(yuǎn)鏡（Origins Space Telescope）項(xiàng)目，該項(xiàng)目正在研究利用傳感器陣列來(lái)分析太陽(yáng)系外環(huán)繞恒星的行星的化學(xué)成分，”NIST電子工程師Varun Verma認(rèn)為。他指出，地球大氣中的每一種化學(xué)元素都會(huì)吸收一組特定的顏色。

“我們是想觀察當(dāng)系外行星掠過(guò)其母星前凌日時(shí)，穿過(guò)其大氣層邊緣的光的吸收光譜，”Verma解釋道。“利用吸收特征可以探測(cè)出大氣中的元素，特別是那些可能產(chǎn)生生命的元素，如水、氧和二氧化碳。這些元素的特征可在中紅外到遠(yuǎn)紅外光譜中體現(xiàn)，而針對(duì)該光譜區(qū)域的大面積單光子計(jì)數(shù)探測(cè)器陣列還不存在，因此我們從NASA獲得了少量資金來(lái)幫助他們解決這個(gè)問(wèn)題。”

Verma和同事在該相機(jī)的制造上取得了很高的成就，其中99.5%的傳感器均可正常運(yùn)行。但是，探測(cè)器在理想波段的工作效率較低。提升探測(cè)器效率將是接下來(lái)的挑戰(zhàn)。研究人員還希望制造更大尺寸的相機(jī)，也許會(huì)搭載100萬(wàn)個(gè)傳感器。

將該相機(jī)應(yīng)用于其它領(lǐng)域也是可能的。例如，NIST的相機(jī)可能有助于發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)。世界各地的研究人員一直未能找到所謂的大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMPs），因此他們正在考慮尋找能量和質(zhì)量都較低的暗物質(zhì)。超導(dǎo)納米線探測(cè)器有望實(shí)現(xiàn)計(jì)算稀有、低能暗物質(zhì)的排放量以及從背景噪聲中辨別真實(shí)信號(hào)。

該新款相機(jī)的工藝復(fù)雜，生產(chǎn)于NIST位于北美科羅拉多州Boulder的精密加工廠。探測(cè)器在切成薄片的硅片上制造而成；納米線由鎢硅合金制成，長(zhǎng)約3.5mm，寬約180nm，厚3nm；導(dǎo)線由超導(dǎo)鈮制成。同時(shí)，該相機(jī)是在加州理工學(xué)院的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）完成了性能測(cè)試。JPL因其從事深空光通信方面的工作而擁有測(cè)試所需的必要電子設(shè)備。