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Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e seus colegas construíram uma câmera supercondutora contendo 400 mil pixels – 400 vezes mais do que qualquer outro dispositivo desse tipo.
Câmeras supercondutoras permitem aos cientistas capturar sinais de luz muito fracos, seja de objetos distantes no espaço ou de partes do cérebro humano. Ter mais pixels poderia abrir muitas novas aplicações na ciência e na pesquisa biomédica.
A câmera do NIST é composta de grades de fios elétricos ultrafinos, resfriados até quase o zero absoluto, nos quais a corrente se move sem resistência até que um fio seja atingido por um fóton. Nessas câmeras de nanofios supercondutores, a energia transmitida até mesmo por um único fóton pode ser detectada porque desliga a supercondutividade em um local específico (pixel) da grade. A combinação de todas as localizações e intensidades de todos os fótons forma uma imagem.
As primeiras câmeras supercondutoras capazes de detectar fótons únicos foram desenvolvidas há mais de 20 anos. Desde então, os dispositivos não continham mais do que alguns milhares de pixels – muito limitados para a maioria das aplicações.
Criar uma câmera supercondutora com um número maior de pixels representou um sério desafio porque seria praticamente impossível conectar cada pixel resfriado entre muitos milhares ao seu próprio fio de leitura. O desafio decorre do fato de que cada um dos componentes supercondutores da câmera deve ser resfriado a temperaturas ultrabaixas para funcionar corretamente, e conectar individualmente cada pixel entre milhões ao sistema de resfriamento seria virtualmente impossível.
Os pesquisadores do NIST Adam McCaughan e Bakhrom Oripov e seus colaboradores do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em Pasadena, Califórnia, e da Universidade do Colorado em Boulder superaram esse obstáculo combinando os sinais de muitos pixels em apenas alguns fios de leitura da temperatura ambiente.
Uma propriedade geral de qualquer fio supercondutor é que ele permite que a corrente flua livremente até uma certa corrente “crítica” máxima. Para aproveitar esse comportamento, os pesquisadores aplicaram uma corrente logo abaixo do máximo aos sensores. Nessa condição, mesmo que um único fóton atinja um pixel, ele destruirá a supercondutividade. A corrente não consegue mais fluir sem resistência através do nanofio e, em vez disso, é desviada para um pequeno elemento de aquecimento resistivo conectado a cada pixel. A corrente desviada cria um sinal elétrico que pode ser rapidamente detectado.
Tomando emprestado a tecnologia existente, a equipe do NIST construiu a câmera para ter matrizes de nanofios supercondutores que se cruzam e formam múltiplas linhas e colunas, como aquelas em um jogo da velha. Cada pixel – uma pequena região centrada no ponto onde os nanofios verticais e horizontais se cruzam – é definido exclusivamente pela linha e coluna em que se encontra.
Esse arranjo permitiu à equipe medir os sinais provenientes de uma linha ou coluna inteira de pixels de cada vez, em vez de registrar dados de cada pixel individual, reduzindo drasticamente o número de fios de leitura. Para fazer isso, os pesquisadores colocaram um fio de leitura supercondutor paralelo, mas sem tocar nas fileiras de pixels, e outro fio paralelo, mas sem tocar nas colunas.
Considere apenas o fio de leitura supercondutor paralelo às linhas. Quando um fóton atinge um pixel, a corrente desviada para o elemento de aquecimento resistivo aquece uma pequena parte do fio de leitura, criando um pequeno ponto de acesso. O hotspot, por sua vez, gera dois pulsos de tensão viajando em direções opostas ao longo do fio de leitura, que são registrados por detectores em cada extremidade. A diferença de tempo que leva para os pulsos chegarem aos detectores finais revela a coluna em que o pixel reside. Um segundo fio de leitura supercondutor paralelo às colunas tem uma função semelhante.
Os detectores podem discernir diferenças no tempo de chegada de sinais tão curtos quanto 50 trilionésimos de segundo. Eles também podem contar até 100.000 fótons por segundo atingindo a grade.
Assim que a equipe adotou a nova arquitetura de leitura, Oripov fez rápido progresso no aumento do número de pixels. Em questão de semanas, o número saltou de 20.000 para 400.000 pixels. A tecnologia de leitura pode ser facilmente ampliada para câmeras ainda maiores, disse McCaughan, e uma câmera supercondutora de fóton único com dezenas ou centenas de milhões de pixels poderá estar disponível em breve.
Durante o próximo ano, a equipe planeja melhorar a sensibilidade do protótipo da câmera para que ela possa capturar praticamente todos os fótons recebidos. Isso permitirá que a câmera enfrente esforços com pouca luz, como imagens de galáxias tênues ou planetas que estão além do sistema solar, medindo a luz em computadores quânticos baseados em fótons e contribuindo para estudos biomédicos que usam luz infravermelha próxima para observar tecidos humanos. .
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