NIST、最高分解能シングルフォトン超伝導カメラを開発

November, 6, 2023, Gaithersburg--米国国立標準技術研究所(NIST)の研究チームは、同種のどのデバイスよりも400倍多い40万ピクセルの超伝導カメラを開発した。

超伝導カメラは、宇宙の遠い物体や人間の脳の一部など、非常に微弱な光信号を捉えることができる。ピクセル数を増やすことで、科学やバイオメディカル研究で多くの新しいアプリケーションを開くことが可能性になる。

NISTカメラは、絶対零度近くまで冷却された極細の電線のグリッドで構成されており、電線に光子が当たるまで電流は抵抗なく流れる。この超伝導ナノワイヤカメラでは、グリッド上の特定の位置(ピクセル)で超伝導をシャットダウンするため、シングルフォトンでもエネルギーを検出できる。すべてのフォトンのすべての位置と強度を組み合わせると、画像が構成される。

単一光子(シングルフォトン)を検出できる最初の超伝導カメラは、20年以上前に開発された。それ以来、デバイスには数千ピクセルしか含まれておらず、ほとんどのアプリケーションには制限が多すぎる。

はるかに多くのピクセルを持つ超伝導カメラを作ることは、何千ものチルドピクセルのうちの1つ1つを独自の読み出しワイヤに接続できないので、深刻な課題を提起した。この課題は、カメラの超電導部品を極低温まで冷却しなければ正常に機能せず、数十万個の画素を冷却システムに個別に接続することは事実上不可能であることに起因している。

カリフォルニア州パサデナにあるNASAのジェット推進研究所とコロラド大学ボルダー校のNIST研究者、Adam McCaughanとBakhrom Oripov、および共同研究者は、多くのピクセルからの信号をわずか数本の室温読み出しワイヤに結合することで、この障害を克服した。

超電導ワイヤの一般的な特性は、特定の最大「臨界」電流まで電流を自由に流すことができることである。この動作を利用するために、研究グループはセンサに最大電流をわずかに下回る電流を印加した。その条件下では、フォトンが1つでもピクセルに当たると、超伝導が破壊される。電流はナノワイヤを抵抗なく流れることができなくなり、代わりに各ピクセルに接続された小さな抵抗発熱体にシャントされる。シャントされた(分流)電流は、迅速に検出できる電気信号を生成する。

NISTチームは、既存技術を借用して、三目並べゲームのように、複数の行と列を形成する超伝導ナノワイヤの交差するアレイを持つようにカメラを構築した。各ピクセル(個々の垂直および水平ナノワイヤが交差する点を中心とする小さな領域)は、それが位置する行と列によって独自に定義される。

この配置により、チームは個々のピクセルからデータを記録するのではなく、ピクセルの行全体または列全体からの信号を一度に測定できるようになり、読み出しワイヤの数が大幅に削減された。そのために、研究チームは、超伝導読み出しワイヤをピクセルの列に平行に、しかし接触しないようにし、別のワイヤを列に平行に、しかし接触しないように配置した。

列に平行な超電導読み出しワイヤだけを考える。フォトンがピクセルに当たると、抵抗発熱体に流される電流が読み出しワイヤのごく一部を温め、小さなホットスポットが形成される。ホットスポットは、読み出しワイヤに沿って反対方向に進む2つの電圧パルスを生成し、両端のディテクタによって記録される。パルスが末端ディテクタに到達するまでの時間差により、ピクセルが存在する列が明らかになる。カラムに平行に配置された第2の超電導読み出しワイヤは、同様の機能を果たす。

ディテクタは、50兆分の1秒という短い信号の到達時間の差を識別できる。また、グリッドに当たるフォトンを毎秒最大10万個をカウントできる。

チームが新しい読み出しアーキテクチャを採用すると、Oripovはピクセル数の増加を急速に進めた。数週間のうちに、その数は20,000ピクセルから400,000ピクセルに跳ね上がった。McCaughanによると、この読み出し技術は、さらに大型のカメラにも簡単にスケールアップでき、数千万から数億ピクセルの超伝導シングルフェトンカメラが間もなく利用可能になる見込である。

今後1年で、チームはプロトタイプカメラの感度を向上させ、ほぼすべての入射フォトンを捕捉できるようにする予定である。これにより、太陽系外にある暗い銀河や惑星の撮影、フォトンベースの量子コンピュータでの光の測定、近赤外光を使って人体組織を覗き込む生物医学研究など、低照度への取り組みが可能になる。