Avoir plus de pixels pourrait tout faire progresser, de l’imagerie biomédicale aux observations astronomiques. Des chercheurs de l'Institut national des normes et technologies (NIST) et leurs collègues ont construit une caméra supraconductrice de 400 000 pixels, soit 400 fois plus que d'autres appareils similaires.
Grâce aux améliorations prévues, la nouvelle caméra supraconductrice monoligne de 400 000 pixels du NIST, la caméra à la plus haute résolution de son genre, aura la capacité de capturer des images astronomiques dans des conditions de luminosité extrêmement faible. Source de l’image : éléments d’image de Pixabay et S.Kelley/NIST.
Les caméras supraconductrices permettent aux scientifiques de capturer des signaux lumineux très faibles, qu'ils proviennent d'objets éloignés dans l'espace ou de parties du cerveau humain. Avoir plus de pixels pourrait ouvrir la voie à de nombreux nouveaux domaines d’application pour la recherche scientifique et biomédicale.
La caméra NIST est constituée d'une grille de fils ultra-fins refroidis jusqu'au zéro absolu, à travers laquelle le courant se déplace sans aucune résistance jusqu'à ce que les fils soient touchés par des photons. Dans ces caméras à nanofils supraconducteurs, l’énergie délivrée même par un seul photon peut être détectée car elle désactive la supraconductivité à des endroits spécifiques (pixels) de la grille. La combinaison des positions et des intensités de tous les photons crée une image.
Cette animation représente le système de lecture spécial qui a permis aux chercheurs du NIST de créer une caméra monophotonique à nanofils supraconducteurs de 400 000 possédant la résolution la plus élevée de son genre. Grâce à d'autres améliorations, la caméra sera idéale pour les travaux en faible luminosité tels que l'imagerie de galaxies ou de planètes faibles en dehors de notre système solaire, la mesure de la lumière dans des ordinateurs quantiques à photons et la recherche biomédicale utilisant la lumière proche infrarouge pour scruter les tissus humains. Source : S. Kelley/NIST
La première caméra supraconductrice capable de détecter des photons uniques a été développée il y a plus de vingt ans. Depuis, ces appareils ne contiennent plus que quelques milliers de pixels, ce qui les rend trop limités pour la plupart des applications.
Construire des caméras supraconductrices avec un nombre de pixels plus élevé constitue un défi de taille, car il est presque impossible de connecter chacun des milliers de pixels gelés à sa propre ligne de lecture. Le défi vient du fait que chacun des éléments supraconducteurs de la caméra doit être refroidi à des températures ultra-froides pour fonctionner correctement, et qu'il est presque impossible de connecter individuellement chacun des millions de pixels à un système de refroidissement.
Les chercheurs du NIST Adam McCaughan et Bakhrom Oripov et leurs collaborateurs du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA à Pasadena, en Californie, et de l'Université du Colorado à Boulder, ont surmonté cet obstacle en combinant les signaux de nombreux pixels sur quelques fils de lecture à température ambiante.
Une propriété commune de tout câble supraconducteur est qu’il permet au courant de circuler librement jusqu’à un certain courant « critique » maximum. Pour profiter de cette propriété, les chercheurs ont appliqué au capteur un courant légèrement inférieur à la valeur maximale. Dans ce cas, même un seul photon frappant un pixel détruit la supraconductivité. L'électricité ne circule plus à travers les nanofils sans résistance mais est plutôt dérivée vers de petits éléments chauffants résistifs connectés à chaque pixel. Le signal électrique produit par le courant shunt peut être rapidement détecté.
En empruntant à la technologie existante, l'équipe du NIST a construit une caméra avec des réseaux de nanofils supraconducteurs qui se croisent et forment plusieurs rangées et colonnes, comme les rangs d'un jeu de tic-tac-toe. Chaque pixel est une petite zone centrée autour de l'intersection d'un seul nanofil vertical et horizontal - défini de manière unique par la ligne et la colonne dans lesquelles il réside.
Cet arrangement a permis à l'équipe de mesurer les signaux d'une ligne ou d'une colonne entière de pixels à la fois, plutôt que d'enregistrer les données de chaque pixel, réduisant ainsi considérablement le nombre de lignes de lecture. Pour ce faire, les chercheurs ont placé une ligne de lecture supraconductrice parallèle aux rangées de pixels, mais sans les toucher, et une autre ligne de lecture parallèle aux colonnes de pixels, mais sans les toucher.
Seules les lignes de lecture supraconductrices parallèles aux lignes et aux colonnes sont prises en compte. Lorsqu'un photon frappe un pixel, le courant dérivé vers l'élément chauffant résistif chauffe une petite partie de la ligne de lecture, créant ainsi un petit point chaud. Le point chaud génère à son tour deux impulsions de tension qui se déplacent dans des directions opposées le long de la ligne de lecture et sont enregistrées par des détecteurs situés à chaque extrémité. La différence entre le temps pendant lequel l'impulsion atteint les détecteurs à chaque extrémité révèle la colonne dans laquelle se trouve le pixel. Une deuxième ligne de lecture supraconductrice parallèle à la colonne a une fonction similaire.
Le détecteur peut discerner des différences dans les temps d’arrivée des signaux aussi courts que 50 billionièmes de seconde. Ils peuvent également compter les 100 000 photons qui frappent la grille chaque seconde.
Après que l’équipe ait adopté une nouvelle architecture de lecture, Oripov a rapidement progressé dans l’augmentation du nombre de pixels. En quelques semaines, le nombre de pixels est passé de 20 000 à 400 000. McCown a déclaré que cette technologie de lecture pourrait être facilement étendue à des caméras plus grandes, et que des caméras supraconductrices à photon unique avec des dizaines ou des centaines de millions de pixels pourraient bientôt être disponibles.
Au cours de la prochaine année, l’équipe prévoit d’augmenter la sensibilité du prototype de caméra afin qu’il puisse capturer presque tous les photons entrants. Cela permettra à la caméra de gérer des travaux en faible luminosité, tels que l'imagerie de galaxies ou de planètes faibles en dehors de notre système solaire, la mesure de la lumière dans des ordinateurs quantiques à photons et la contribution à la recherche biomédicale qui utilise la lumière proche infrarouge pour scruter les tissus humains.
Les chercheurs ont rapporté leurs découvertes dans le numéro du 26 octobre de la revue Nature.