Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà nghiên cứu đã chế tạo một trong những máy ảnh hiệu suất cao nhất từng có các cảm biến đếm các photon đơn lẻ hoặc các hạt ánh sáng.
Các nhà nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) đã chế tạo một trong những máy ảnh hiệu suất cao nhất từng có các cảm biến đếm các photon đơn lẻ hoặc các hạt ánh sáng.
Với hơn 1.000 cảm biến hoặc pixel, máy ảnh của NIST có thể hữu ích trong các kính viễn vọng dựa trên không gian trong tương lai tìm kiếm các dấu hiệu hóa học của sự sống trên các hành tinh khác và trong các thiết bị mới được thiết kế để tìm kiếm “vật chất tối” khó nắm bắt được tạo thành “Thứ” trong vũ trụ.
Được mô tả trong Optics Express , máy ảnh này bao gồm các cảm biến được chế tạo từ các dây nano siêu dẫn có thể phát hiện các photon đơn lẻ. Chúng là một trong những máy đếm photon tốt nhất về tốc độ, hiệu quả và phạm vi độ nhạy màu. Một nhóm NIST đã sử dụng các máy dò này để chứng minh “hành động ma quái ở khoảng cách xa” của Einstein chẳng hạn.
Các máy dò dây nano cũng có tốc độ đếm tối thấp nhất của bất kỳ loại cảm biến photon nào, nghĩa là chúng không đếm các tín hiệu sai do nhiễu gây ra thay vì photon. Tính năng này đặc biệt hữu ích cho các tìm kiếm vật chất tối và thiên văn học dựa trên không gian. Nhưng các máy ảnh có nhiều pixel và kích thước vật lý lớn hơn so với trước đây là bắt buộc đối với các ứng dụng này và chúng cũng cần phát hiện ánh sáng ở đầu xa của dải hồng ngoại với bước sóng dài hơn hiện tại.
Máy ảnh của NIST có kích thước vật lý nhỏ, hình vuông có kích thước 1,6 mm ở một bên nhưng được tích hợp 1.024 cảm biến (32 cột bằng 32 hàng) để tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao. Thách thức chính là tìm cách đối chiếu và thu được kết quả từ rất nhiều máy dò mà không quá nóng. Các nhà nghiên cứu đã mở rộng kiến trúc “đọc” mà trước đây họ đã trình diễn với một camera 64 cảm biến nhỏ hơn, bổ sung dữ liệu từ các hàng và cột, một bước để đáp ứng các yêu cầu của Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia (NASA).
Kỹ sư điện tử của NIST Varun Verma cho biết: “Động lực chính của tôi để chế tạo máy ảnh là dự án Kính viễn vọng Không gian Origins của NASA đang xem xét sử dụng các mảng này để phân tích thành phần hóa học của các hành tinh quay quanh các ngôi sao bên ngoài hệ mặt trời của chúng tôi”. Mỗi nguyên tố hóa học trong bầu khí quyển của hành tinh sẽ hấp thụ một tập hợp màu sắc độc đáo.
Ý tưởng là nhìn vào quang phổ hấp thụ của ánh sáng xuyên qua rìa bầu khí quyển của một hành tinh ngoại khi nó truyền qua phía trước ngôi sao mẹ của nó. Các chữ ký hấp thụ cho bạn biết về các yếu tố trong khí quyển, đặc biệt là các yếu tố có thể làm tăng sự sống, như nước, oxy và carbon dioxide. Các chữ ký cho các nguyên tố này nằm trong phổ từ trung bình đến hồng ngoại xa và lớn Các mảng máy dò đếm photon đơn khu vực chưa tồn tại cho vùng phổ đó vì vậy các nhà khoa học đã nhận được một khoản tiền nhỏ từ NASA để xem liệu họ có thể giúp giải quyết vấn đề đó không.
Verma và các đồng nghiệp đã đạt được thành công chế tạo cao với 99,5% cảm biến hoạt động tốt. Nhưng hiệu quả máy dò ở bước sóng mong muốn là thấp. Tăng cường hiệu quả là thách thức tiếp theo. Các nhà nghiên cứu cũng hy vọng sẽ tạo ra những chiếc máy ảnh thậm chí còn lớn hơn có thể với một triệu cảm biến.
Các ứng dụng khác cũng có thể. Ví dụ, các camera của NIST có thể giúp tìm ra vật chất tối. Các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã không thể tìm thấy cái gọi là các hạt lớn tương tác yếu (WIMP) và đang xem xét tìm kiếm vật chất tối với năng lượng và khối lượng thấp hơn. Các máy dò dây nano siêu dẫn đưa ra lời hứa cho việc đếm lượng phát thải của vật chất tối hiếm, năng lượng thấp và phân biệt tín hiệu thực từ nhiễu nền.
Máy ảnh mới được chế tạo trong một quy trình phức tạp tại Cơ sở chế tạo vi mô của NIST ở Boulder, Colorado. Các máy dò được chế tạo trên các tấm silicon được thái hạt lựu. Các dây nano, được làm bằng một hợp kim của vonfram và silicon, dài khoảng 3,5 mm, rộng 180 nanomet (nm) và dày 3 nm. Hệ thống dây điện được làm bằng niobi siêu dẫn.
Hiệu suất máy ảnh được đo bởi Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực (JPL) tại Viện Công nghệ California ở Pasadena, California. JPL có các thiết bị điện tử cần thiết do hoạt động của nó trên truyền thông quang học không gian sâu.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :