TimepixCam samler forskellige teknologier for at fange ioner og fotoner til biologi, kemi og mere

Andrei Nomerotski sluttede sig til US Department of Energy's Brookhaven National Laboratory for at bygge et tre-gigapixel kamera til Large Synoptic Survey Telescope (LSST), et massivt instrument, der vil blive installeret i Chiles bjerge for at fange de dybeste og bredeste øjebliksbilleder af kosmos til dato. LSST er Nomerotskis hovedfokus, alligevel formår han at finde tid til at køre et sideprojekt ved Brookhaven:udvikle et ultrahurtigt kamera, kaldet TimepixCam, der kan detektere enten enkeltfotoner eller ioner til astrofysiske eksperimenter og endnu mere jordnære undersøgelser inden for felter fra biologi til kvanteberegning.

"Så vidt vi ved, disse er de første eksperimenter, der involverer billeddannelse af enkeltfotoner med samtidig tidsstempling på pixelniveau med 10 nanosekunders tidsopløsning, "Nomerotski sagde i et nyligt papir, der illustrerede TimepixCams muligheder.

Ideen til den superhurtige skytte spirede, da Nomerotski arbejdede på Oxford University, at udvikle et kamera til kemikere, der kunne billed- og tidsstempler de flyvende molekylfragmenter produceret i massespektrometri, en almindelig kemisk identifikationsteknik, der bruges i laboratorier.

"Da jeg kom til Brookhaven, fandt jeg ud af, hvordan jeg lavede denne type kamera på en meget enklere måde, "Sagde Nomerotski.

Hans seneste gengivelse har et beskedent 256 x 256 pixel array, men dens hastighed adskiller det, kører cirka 4 millioner gange hurtigere end en iPhone, der optager slowmotion-video.

At sætte stykkerne sammen

En del af nøglen til denne utrolige hastighed er kameraets siliciumsensor, som Nomerotski selv designede. Det har et meget tyndt overfladeledende lag og en antireflekterende belægning, der gør det muligt at absorbere alle mulige lysstumper og effektivt omdanne indkommende fotoner til læsbare signaler.

"De optiske egenskaber ved billedsensorer, vi laver til LSST -kameraet, ligner dem for de siliciumsensorer, vi bruger i TimepixCam. Jeg brugte min nye ekspertise inden for optiske sensorer og astronomi til at komme med en ny sensor, som vi kan vedhæfte til en eksisterende aflæsningschip, "forklarede han.

Resten af ​​kameraets dele er en sammenlægning af allerede eksisterende teknologi fra spredte videnskabelige områder. Sensorerne fremstilles på et støberi i Barcelona. Men den samme Timepix -udlæsningschip, bundet under sensoren i hvert kamera, stammer fra European Center for Nuclear Research (CERN) laboratorium i Genève.

"Der er mange ligheder mellem denne kombination af udlæsning af chip-siliciumsensor og pixeldetektorer i ATLAS og CMS, to detektorer til store partikelfysikeksperimenter ved CERNs Large Hadron Collider, "sagde Nomerotski." Kameraets elektronik er fremstillet af endnu et firma, der udvikler detektorer til røntgenbilleder, " han tilføjede.

Efter at have købt linser på eBay og oprettet et kabinet ved hjælp af en 3D-printer, Nomerotskis team samler de forskellige dele og tester hver TimepixCam i deres laboratorium på Brookhaven. Indtil videre har gruppen lavet tre kameraer.

Et utal af anvendelser

Når kameraerne er klar, gruppen samarbejder med andre forskere, der ønsker at bruge TimepixCam i deres egne eksperimenter. Michael Whites gruppe i Brookhavens kemiafdeling og Thomas Weinachts gruppe ved Stony Brook University bruger allerede kameraet til innovationer inden for billeddannelse af massespektrometri, den samme kemiteknik, som Nomerotski arbejdede på i Oxford.

"I et stykke tid tænkte jeg kun på applikationer inden for kemisk billeddannelse, "sagde Nomerotski, "men så læste jeg et par papirer, der guidede mig i en ny retning. Det gik op for mig, at det ved at placere en billedforstærker foran kameraet kunne bruges til at billedgøre enkeltfotoner. Det åbner et helt andet domæne af applikationer. "

En enkelt foton er for svag til, at kameraet kan se det selv. Så forstærkeren tager indkommende fotoner og sender dem gennem en række materialer, der gør hver lyspartikel til et lysere blitz. Når kameraet opfanger denne blitz, det registrerer også tiden.

"Forstærkeren er som et par meget hurtige nattesynsbriller, "Forklarede Nomerotski.

Med denne tilføjelse, TimepixCam kan fungere som et fluorescerende billeddannelsesværktøj, som Nomerotski demonstrerede i et nyligt papir. Den slags værktøjer kan for eksempel, hjælpe biologer med at se på iltkoncentrationer i levende celler til at spore metaboliske processer, eller hjælpe med at karakterisere nye materialer, såsom de lyshøstende lag, der bruges i solceller.

Ud over, fordi enkelte fotoner kan bruges som 'qubits, 'kvanteversionen af ​​de binære bits, der bærer information i nutidens computere, Nomerotski mener også, at TimepixCam kunne spille en rolle i kvanteberegning og fremskridt inden for kryptografi. Han tester dette med samarbejdspartner Eden Figueroa fra Stony Brook University.

Figueroa, der har specialiseret sig i kvanteinformationsteknologi, ønsker at bruge TimepixCam i billeddannelseseksperimenter ved hjælp af "sammenfiltrede fotoner." Forviklede fotoner er ikke, som det kan se ud, fysisk viklet om hinanden. De er simpelthen bevidste om hinanden, et ejendommeligt kvantefænomen, hvor enhver måling af den ene foton umiddelbart påvirker den anden, selv over lange afstande. Når en af ​​fotonerne måles, oplysninger om denne måling "teleporteres" fra den ene foton til den anden. Forskere som Figueroa kan skabe sammenfiltrede fotoner i laboratorier og sende dem langs almindelige fiberoptiske kabler.

"Indviklede fotoner dannes samtidigt, så at kontrollere, at de har samme tidsstempel, er et kraftfuldt værktøj til at skelne parret fra baggrundsfotonerne, "Nomerotski sagde." TimepixCam kan også bruges til at måle den rumlige fordeling af fotoner og til at holde styr på virkningerne af sammenfiltringskilder og kvantehukommelser i realtid. "

Frem i fart

Som med alle projekter, der er altid plads til at gå videre. Nomerotski håber at kunne barbere enhedens tidsopløsning ned til et nanosekund - 20 millioner gange hurtigere end et enkelt slag af en kolibriens vinger.

"Vi har lige testet den næste generation af dette kamera baseret på den seneste Timepix -aflæsningschip, som har bedre timing -opløsning, og der er også andre ting at forbedre. Mine kolleger i Oxford har lige udviklet en hurtigere del til forstærkeren, og det kan vi snart teste, "Sagde Nomerotski.

En dag vil målet være at gøre disse kameraer endnu tusind gange hurtigere, som kunne åbne døre for endnu flere applikationer - herunder en tilbagevenden til de typer af partikelfysikeksperimenter, der oprindeligt inspirerede Timepix -aflæsningschips. Trods alt, når du kolliderer partikler med næsten lysets hastighed, du har brug for top-notch tidsopløsning for at spore de subatomære stykker, der flyver ud.

"Kameraet har fået rigtig flotte resultater, "sagde Nomerotski, "og jeg vil gerne forbedre hastigheden endnu mere, med en anden eller to størrelsesordener, for at nå hele applikationsområdet. "

Brookhavens arbejde med LSST er finansieret af DOE Office of Science. Nomerotskis arbejde med TimepixCam understøttes af Brookhaven's Laboratory Directed Research and Development Program.

Forvikling i cybersikkerhed

Kvantekryptering bruger sammenfiltrede fotoner som krypteringsnøgler - cifre, som computere sender til hinanden og forklarer, hvordan de skal kode og afkode private oplysninger. Kvantekrypteringsnøgler har et ekstra beskyttelseslag, der ikke findes i den almindelige digitale verden. De sjove regler for kvantemekanik dikterer, at hvis nogen - eller en hvilken som helst computer - opfanger og læser nøglen, mens den er i transit, at handlingen uundgåeligt vil ændre signalet, advarer afsender og modtager om, at deres hemmelige kode er blevet kompromitteret.