Avancées dans la technologie des caméras supraconductrices

Depuis 50 ans, les détecteurs supraconducteurs sont célébrés pour leur capacité à capter des signaux électromagnétiques très faibles rapidement et avec précision. Ces outils fonctionnent mieux à des températures extrêmement basses et minimisent le bruit indésirable, ce qui les rend utiles dans de nombreux domaines, y compris l'étude de la matière noire, l'examen de l'univers primordial et l'avancement de l'informatique quantique.

Cependant, un défi demeure : il n'existe pas de grandes caméras supraconductrices disponibles. Les plus grandes construites jusqu'à présent n'ont qu'environ 20 000 pixels. Parmi les types prometteurs de détecteurs supraconducteurs, on trouve les détecteurs à photons uniques en nanofils supraconducteurs (SNSPD). Ces détecteurs ont montré d'excellentes performances, mais n'ont pas encore atteint des tailles supérieures à un kilopixel, même après 20 ans de développement.

#La caméra SNSPD de 400 000 pixels

Récemment, un progrès majeur a été réalisé avec la création et les tests d'une caméra dotée de 400 000 pixels. Cette caméra représente une amélioration remarquable de 400 fois par rapport aux modèles précédents. Elle a une vaste zone d'imagerie et atteint une efficacité maximale à des longueurs d'onde spécifiques. Le design de la caméra lui permet de fonctionner sans circuit supplémentaire dans la zone d'imagerie, ce qui est un pas important vers la construction de systèmes de caméras supraconductrices plus grands.

#Capteurs supraconducteurs et leurs complexités

De nombreux capteurs supraconducteurs produisent des signaux continus faciles à lire. En revanche, les SNSPD génèrent des impulsions individuelles, ce qui rend leur lecture plus compliquée. Chaque détecteur nécessite généralement sa propre connexion de lecture, contrairement à d'autres types de capteurs qui peuvent partager des lignes de lecture. Cette relation un à un limite le nombre de détecteurs pouvant être gérés simultanément, surtout en tenant compte de la charge thermique des câblages.

Au fil des ans, les chercheurs ont essayé de développer des méthodes pour réduire le nombre de lignes de lecture nécessaires pour les détecteurs. Par exemple, une technique mesurait le temps qu'il fallait à la lumière pour atteindre différents points le long d'un seul long nanofil. Cependant, ce design présente des problèmes de fiabilité.

#Architectures de lecture en rangées et colonnes

Dans les systèmes de lecture en rangées et colonnes, plusieurs SNSPD sont disposés en motif de grille. Cette configuration permet de lire de nombreux pixels en utilisant seulement quelques fils. Dans cette méthode, un événement de détection est marqué par des signaux de tension synchronisés sur les lignes de rangée et de colonne dans une période de temps spécifique. Bien que cette approche ait été utilisée pour créer un plus grand réseau de SNSPD, elle a rencontré des difficultés dues à la réduction de la qualité du signal à mesure que le nombre de pixels augmentait.

Pour surmonter ces problèmes, une nouvelle méthode appelée schéma de rangée-colonne thermique a été développée. Cette approche maintient les lignes de pixels et de colonnes électriquement séparées et utilise la chaleur créée lors de la détection pour lier les événements entre les deux canaux.

#Architecture d'imagerie thermiquement couplée (TCI)

Un design plus récent, l'imager thermiquement couplé (TCI), combine le couplage thermique avec des techniques de multiplexage temporel pour offrir une expérience d'imagerie kilopixel. Ce design minimise les interférences indésirables entre détecteurs et permet des systèmes beaucoup plus grands.

La nouvelle caméra de 400 000 pixels incorpore des éléments à la fois du capteur à rangée-colonne thermique et du design TCI, ce qui la rend à la fois efficace et capable de s'élever. Les deux couches de nanofils utilisées dans la caméra sont également disposées pour garantir qu'elles peuvent gérer la lumière sans être affectées par la polarisation.

#Performances et tests

Le réseau de détecteurs se composait de milliers de pixels individuels et était opérationnel à des températures très basses. Le design des pixels impliquait la création de fils très fins à partir de deux types de matériaux supraconducteurs différents. En disposant les détecteurs en grille et en les connectant à plusieurs bus de lecture, le système a pu rationaliser le processus de lecture des signaux tout en maintenant la précision.

Pour rassembler des images, un masque a été placé sur la caméra, et la lumière a été projetée dessus. Le timing de la détection de la lumière a été enregistré, permettant au système de créer une carte précise de l'endroit où chaque photon est tombé sur le réseau.

#Résoudre les défis et les défauts

Lors des tests initiaux, certains détecteurs se sont révélés défectueux, produisant trop de faux comptages. Pour résoudre ce problème, un processus d'identification et de déconnexion des détecteurs défectueux a été mis en place. Cette taille minutieuse a assuré que seuls les détecteurs fonctionnels restaient dans le système, aboutissant à des mesures plus claires et plus fiables.

#Efficacité de détection des photons

Une préoccupation clé dans cette technologie est d'assurer que les photons détectés par les SNSPD déclenchent effectivement des sorties correspondantes dans le système de lecture. Les tests ont montré que suffisamment d'énergie était fournie pour créer des points chauds, qui envoyaient ensuite des signaux sur le bus. Les résultats ont suggéré que la caméra fonctionnait avec un haut niveau d'efficacité, bien qu'il y ait de la place pour améliorer la densité de disposition des détecteurs.

#Taux de comptage et performance temporelle

La capacité de la caméra à mesurer les taux de comptage a également été testée. Les résultats ont montré que le système reflétait avec précision le nombre de photons frappant le détecteur, restant sensible même lorsque le taux augmentait. Cependant, des limitations techniques et le design du bus introduisaient de brèves périodes pendant lesquelles de nouvelles détections de photons pouvaient être manquées.

Pour évaluer davantage les performances, le timing de la détection a été analysé. Les mesures ont indiqué un certain niveau d'incertitude dans le timing des détections, ce qui peut être attribué au design général des détecteurs. Cet aspect pourrait être amélioré dans de futures itérations.

#Conclusion : implications futures

Cette nouvelle caméra supraconductrice de 400 000 pixels a établi un record en termes de taille et de performance. Son design lui permet de fonctionner efficacement, avec seulement des détecteurs dans la zone d'imagerie. À l'avenir, de tels progrès pourraient considérablement améliorer des domaines comme l'imagerie quantique, qui nécessitent une détection précise de la lumière et des techniques d'imagerie avancées. À mesure que la technologie continue de se développer, les applications potentielles en science et en recherche sont vastes.