Avances en la tecnología de cámaras superconductoras

Durante los últimos 50 años, se han celebrado los detectores superconductores por su capacidad para captar señales electromagnéticas muy débiles de forma rápida y precisa. Estas herramientas funcionan mejor a temperaturas extremadamente bajas y minimizan el ruido no deseado, lo que las hace útiles en muchos campos, incluyendo el estudio de la materia oscura, el examen del universo temprano y el avance de la computación cuántica.

Sin embargo, sigue habiendo un desafío: no hay cámaras superconductoras grandes disponibles. Las más grandes construidas hasta ahora sólo tienen unos 20,000 píxeles. Entre los tipos prometedores de detectores superconductores están los detectores de un solo fotón de nanocables superconductores (SNSPDs). Estos detectores han mostrado métricas de rendimiento excelentes, pero aún no han alcanzado tamaños mayores de un kilopíxel, incluso después de 20 años de desarrollo.

#La cámara SNSPD de 400,000 píxeles

Recientemente, se ha logrado un avance significativo con la creación y prueba de una cámara de 400,000 píxeles. Esta cámara representa una mejora notable de 400 veces en comparación con los modelos anteriores. Tiene un área de imagen amplia y logra máxima eficiencia en longitudes de onda específicas. El diseño de la cámara permite que funcione sin circuitos adicionales en el área de imagen, lo que es un paso importante para construir sistemas de cámaras superconductoras más grandes.

#Sensores superconductores y sus complejidades

Muchos sensores superconductores producen señales continuas que son fáciles de leer. En cambio, los SNSPDs generan pulsos individuales, lo que hace que leerlos sea más complicado. Cada detector normalmente requiere su propia conexión de lectura, a diferencia de otros tipos de sensores, que pueden compartir líneas de lectura. Esta relación uno a uno limita cuántos detectores se pueden manejar simultáneamente, especialmente al considerar la carga térmica del cableado.

A lo largo de los años, los investigadores han intentado desarrollar métodos que reduzcan el número de líneas de lectura necesarias para los detectores. Por ejemplo, una técnica midió el tiempo que tardaba la luz en llegar a diferentes puntos a lo largo de un solo nanocable largo. Sin embargo, este diseño tiene problemas de fiabilidad.

#Arquitecturas de lectura en fila-columna

En los sistemas de lectura en fila-columna, múltiples SNSPDs se organizan en un patrón de cuadrícula. Esta configuración permite leer muchos píxeles usando solo unos pocos cables. En este método, un evento de detección se marca con señales de voltaje sincronizadas en las líneas de fila y columna dentro de un marco de tiempo específico. Si bien este enfoque se utilizó para crear una matriz SNSPD más grande, enfrentó dificultades debido a la reducción de la calidad de la señal a medida que aumentaba el número de píxeles.

Para superar estos problemas, se desarrolló un nuevo método llamado esquema de fila-columna térmica. Este enfoque mantiene las filas y columnas de píxeles eléctricamente separadas y utiliza el calor generado durante la detección para vincular eventos entre los dos canales.

#Arquitectura de imagen térmicamente acoplada (TCI)

Un diseño más reciente, la imagen térmicamente acoplada (TCI), combina acoplamiento térmico con técnicas de multiplexión temporal para ofrecer una experiencia de imagen de kilopíxel. Este diseño minimiza la interferencia no deseada entre detectores y permite sistemas mucho más grandes.

La nueva cámara de 400,000 píxeles incorpora elementos tanto del sensor de fila-columna térmico como del diseño TCI, lo que la hace eficiente y capaz de escalar. Las dos capas de nanocables utilizadas en la cámara también están dispuestas para asegurar que puedan manejar la luz sin verse afectadas por la polarización.

#Rendimiento y pruebas

La matriz de detectores consistía en miles de píxeles individuales y se operó a temperaturas muy bajas. El diseño de los píxeles involucró la creación de alambres muy delgados de dos tipos diferentes de materiales superconductores. Al organizar los detectores en una cuadrícula y conectarlos a varios buses de lectura, el sistema pudo agilizar el proceso de lectura de señales mientras mantenía la precisión.

Para capturar imágenes, se colocó una máscara sobre la cámara y se iluminó. Se registró el tiempo de detección de la luz, lo que permitió al sistema crear un mapa preciso de dónde aterrizó cada fotón en la matriz.

#Abordando desafíos y defectos

Durante las pruebas iniciales, se encontraron algunos detectores que no funcionaban, produciendo demasiados conteos falsos. Para solucionar esto, se implementó un proceso de identificación y desconexión de detectores defectuosos. Este cuidadoso recorte aseguró que solo los detectores en funcionamiento permanecieran en el sistema, resultando en mediciones más claras y fiables.

#Eficiencia de Detección de Fotones

Una preocupación clave en esta tecnología es asegurar que los fotones detectados por los SNSPDs desencadenen efectivamente las salidas correspondientes en el sistema de lectura. Las pruebas mostraron que se entregó suficiente energía para crear puntos calientes, que luego enviaron señales por el bus. Los hallazgos sugirieron que la cámara operaba con un alto nivel de eficiencia, aunque hay margen de mejora en la maximización de la densidad de disposición de los detectores.

#Tasa de conteo y rendimiento de temporización

También se probó la capacidad de la cámara para medir Tasas de conteo. Los resultados mostraron que el sistema reflejaba con precisión el número de fotones que impactaban el detector, manteniéndose sensible incluso a medida que aumentaba la tasa. Sin embargo, limitaciones técnicas y el diseño del bus introdujeron breves períodos durante los cuales podrían perderse nuevas detecciones de fotones.

Para evaluar aún más el rendimiento, se analizó el tiempo de detección. Las mediciones indicaron un cierto nivel de incertidumbre en el tiempo de las detecciones, lo que se puede atribuir al diseño general de los detectores. Este aspecto podría mejorarse en futuras iteraciones.

#Conclusión: Implicaciones futuras

Esta nueva cámara superconductora de 400,000 píxeles ha establecido un récord en tamaño y rendimiento. Su diseño le permite funcionar eficazmente, con solo detectores en el área de imagen. Mirando hacia el futuro, tales avances podrían mejorar sustancialmente campos como la imagen cuántica, que requieren detección precisa de luz y técnicas de imagen avanzadas. A medida que la tecnología continúa desarrollándose, las aplicaciones potenciales en ciencia e investigación son vastas.