NIST的40万像素超导相机研发工作取得突破性进展

拥有更多的像素可以推动从生物医学成像到天文观测等各个方面的发展。美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员和他们的同事已经制造出了一台超导照相机，它拥有40万个像素，是其他同类设备的400倍。

经过计划中的改进，NIST的新型400000像素单线超导相机（同类相机中分辨率最高的相机）将有能力在极低光照条件下捕捉天文图像。图片来源：图片元素来自Pixabay和S.Kelley/NIST。

超导照相机可以让科学家捕捉到非常微弱的光信号，无论是来自太空中遥远物体的信号，还是来自人类大脑部分区域的信号。拥有更多的像素可以为科学和生物医学研究开辟许多新的应用领域。

NIST相机是由冷却到接近绝对零度的超细电线网格组成的，在电线被光子击中之前，电流在其中移动没有任何阻力。在这些超导纳米线照相机中，即使是一个光子传递的能量也能被检测到，因为它会关闭网格上特定位置（像素）的超导性。将所有光子的位置和强度组合起来，就形成了一幅图像。

这个动画描述了特殊的读取系统，它使NIST研究人员能够制造出一台40万超导纳米线单光子照相机，这是同类照相机中分辨率最高的。经过进一步改进后，该相机将非常适合低照度工作，如成像太阳系外的微弱星系或行星、测量基于光子的量子计算机中的光，以及利用近红外线窥视人体组织的生物医学研究。资料来源：S.Kelley/NIST

第一台能够探测单光子的超导相机是在二十多年前研制成功的。从那时起，这些设备所包含的像素都不超过几千个，对于大多数应用来说都过于有限。

制造像素数量更多的超导照相机是一项严峻的挑战，因为要将数千个冷冻像素中的每个像素都连接到自己的读出线上几乎是不可能的。这一挑战源于相机的每个超导元件都必须冷却到超低温才能正常工作，而将数百万像素中的每个像素单独连接到冷却系统几乎是不可能的。

NIST研究人员亚当-麦考恩（AdamMcCaughan）和巴赫罗姆-奥里波夫（BakhromOripov）以及他们在美国宇航局位于加利福尼亚州帕萨迪纳市的喷气推进实验室（JPL）和科罗拉多大学博尔德分校的合作者克服了这一障碍，将许多像素的信号合并到几根室温读出导线上。

任何超导线缆都有一个普遍特性，即允许电流自由流动到一定的最大"临界"电流。为了利用这一特性，研究人员在传感器上施加了略低于最大值的电流。在这种情况下，哪怕只有一个光子击中一个像素，也会破坏超导性。电流不再能够无阻力地流过纳米线，而是被分流到与每个像素相连的小型电阻加热元件上。分流电流产生的电信号可被迅速检测到。