超导纳米线相机将探索脑细胞和空间

(a) 800×500阵列在370纳米处的成像。公共汽车的原始延时数据显示为红色的单个点，分档的二维直方图数据显示为黑色和白色。 (b) 各种波长的光的计数率与偏置电流的函数，以及暗计数率。(c) 阵列右下角的假彩色扫描电子显微照片，突出了交错的行和列探测器。(插图，左下)显示探测器与总线连接的示意图。(插图，右下角）特写显示1.1微米的探测器宽度和有效的5×5微米的像素大小。资料来源：arXiv（2023）。DOI: 10.48550/arxiv.2306.09473
研究人员在开发灵敏度高到可以检测到单个光子的相机方面取得了突破性进展。

光子是一种由电磁波组成的微小粒子。它是构成光的基本单位，但它没有质量也没有电荷。微波、红外光和X射线都是由光子组成的。

二十年前，莫斯科大学开发了捕获单个光子的技术。但技术上的障碍阻碍了它在研究实验室之外的广泛使用。

位于科罗拉多州博尔德的国家标准与技术研究所的一个团队报告了一个40万像素的超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的成功实施，他们说这将为开发极其光敏的大尺寸超导相机铺平道路。他们的论文《具有40万像素的超导纳米线单光子相机》于6月15日发表在预印本库arXiv上。

来自科罗拉多大学物理系和加州理工学院喷气推进实验室的研究人员也参加了这个项目。

该相机目前是同类产品中最大的。它的像素阵列比以前最大的光子相机大400倍。它可以在从可见光到紫外线和红外线范围内的各种光频率下工作，并以超高速率捕获图像，以皮秒为单位。

这种高精度相机可用于量子计算、通信和太空探索。

在2020年的一份报告中，从事高速摄影工具类似工作的研究人员描述了拍摄遥远的恒星和行星的挑战。据与加州大学圣巴巴拉分校著名研究员光学传感器专家Ben Mazin合作的博士生Sarah Steiger说："在系外行星直接成像中，你正试图对比其母星暗淡数百万倍的行星进行成像。这相当于试图从飞机上看到一只萤火虫和一个完全照明的足球场旁边。"

"她说："更重要的是，如果你从地面上做这件事，你必须通过地球的动荡大气层来观察。

该相机也将证明对那些从事医学研究的人来说是非常有价值的，在那里，在不干扰组织的情况下检查诸如大脑等器官的能力是至关重要的。

"杜克大学生物医学工程系助理教授Roarke Horstmeyer说："这种纳米线技术真的很适合生物光学设备中最好使用的光线、

为了达到这样的摄影精度和速度，该团队必须克服早期高精度摄影工作所面临的障碍，如电噪声、读出速度和环境温度。

"哈佛医学院放射学副教授Stefan Carp说："从科学的角度来看，这无疑为光学脑成像开辟了一条新途径。"其他用于光学绘制大脑皮层流动图的方法可能成本较低，但它们都有影响信号质量的缺点，往往需要复杂的信号处理。从性能角度来看，纳米线没有任何妥协"。

参考资料

Bakhrom G. Oripov et al, A superconducting-nanowire single-photon camera with 400,000 pixels, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2306.09473