Lysfølende kamera kan hjælpe med at registrere udenjordisk liv, mørkt stof

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har lavet et af de højeste ydeevne kameraer nogensinde sammensat af sensorer, der tæller enkelte fotoner, eller lyspartikler.

Med mere end 1, 000 sensorer, eller pixels, NISTs kamera kan være nyttigt i fremtidige rumbaserede teleskoper, der leder efter kemiske tegn på liv på andre planeter, og i nye instrumenter designet til at søge efter det undvigende "mørke stof", der menes at udgøre det meste af "stof" i universet.

Beskrevet i Optik Express , kameraet består af sensorer fremstillet af superledende nanotråde, som kan detektere enkelte fotoner. De er blandt de bedste fotontællere med hensyn til hastighed, effektivitet, og rækkevidde af farvefølsomhed. Et NIST-hold brugte disse detektorer til at demonstrere Einsteins "uhyggelige handling på afstand, " for eksempel.

Nanotrådsdetektorerne har også de laveste mørketællerhastigheder af enhver type fotonsensor, hvilket betyder, at de ikke tæller falske signaler forårsaget af støj frem for fotoner. Denne funktion er især nyttig til mørkt stof søgninger og rumbaseret astronomi. Men kameraer med flere pixels og større fysiske dimensioner end tidligere tilgængelige er påkrævet til disse applikationer, og de skal også registrere lys i den fjerne ende af det infrarøde bånd, med længere bølgelængder end i øjeblikket praktisk.

NISTs kamera er lille i fysisk størrelse, en firkant, der måler 1,6 millimeter på en side, men pakket med 1, 024 sensorer (32 kolonner gange 32 rækker) til at lave billeder i høj opløsning. Hovedudfordringen var at finde en måde at samle og opnå resultater fra så mange detektorer uden overophedning. Forskerne udvidede en "udlæsning" -arkitektur, de tidligere demonstrerede med et mindre kamera på 64 sensorer, der tilføjer data fra rækker og kolonner, et skridt mod at opfylde kravene fra National Aeronautics and Space Administration (NASA).

"Min primære motivation for at lave kameraet er NASAs Origins Space Telescope-projekt, som ser på at bruge disse arrays til at analysere den kemiske sammensætning af planeter, der kredser om stjerner uden for vores solsystem, " sagde NISTs elektronikingeniør Varun Verma. Hvert kemisk element i planetens atmosfære ville absorbere et unikt sæt farver, påpegede han.

"Idéen er at se på absorptionsspektrene af lys, der passerer gennem kanten af ​​en exoplanets atmosfære, når den passerer foran sin moderstjerne, " Verma forklarede. "Absorptionssignaturerne fortæller dig om grundstofferne i atmosfæren, især dem, der kan give anledning til liv, såsom vand, ilt og kuldioxid. Signaturerne for disse elementer er i det mellem- til langt infrarøde spektrum, og detektorarrays med stort areal med enkelt foton findes endnu ikke for det område af spektret, så vi modtog en lille mængde midler fra NASA for at se, om vi kunne hjælpe med at løse det problem."

Verma og kolleger opnåede stor fabrikationssucces, med 99,5 % af sensorerne, der fungerer korrekt. Men detektoreffektiviteten ved den ønskede bølgelængde er lav. At øge effektiviteten er den næste udfordring. Forskerne håber også at lave endnu større kameraer, måske med en million sensorer.

Andre anvendelser er også mulige. For eksempel, NIST-kameraerne kan hjælpe med at finde mørkt stof. Forskere over hele verden har ikke været i stand til at finde såkaldt svagt interagerende massive partikler (WIMP'er) og overvejer at lede efter mørkt stof med lavere energi og masse. Superledende nanotråddetektorer giver løfte om tælling af emissioner af sjældne, lavenergi mørkt stof og skelne mellem reelle signaler fra baggrundsstøj.

Det nye kamera blev lavet i en kompliceret proces på NIST's Microfabrication Facility i Boulder, Colorado. Detektorerne er fremstillet på siliciumskiver, der er skåret i chips. Nanotrådene, lavet af en legering af wolfram og silicium, er omkring 3,5 millimeter lange, 180 nanometer (nm) bred og 3 nm tyk. Ledningerne er lavet af superledende niobium.

Kameraets ydeevne blev målt af Jet Propulsion Laboratory (JPL) ved California Institute of Technology i Pasadena, Californien. JPL har den nødvendige elektronik på grund af sit arbejde med deep space optisk kommunikation.