高性能相机，以帮助检测外星生命，暗物质可以计算单个光子

时间：2022-03-15 12:25:08 来源：

NIST的高分辨率摄像头的显微照片由1,024个传感器制成，该传感器计算单个光子或光粒子。该相机是为未来的基于空间的望远镜设计寻找其他行星的化学品迹象。32×32传感器阵列被粉红色和金线包围，连接到编译数据的电子设备。

国家标准和技术研究所（NIST）的研究人员已经制作了一个由传感器组成的最高性能相机，或者是单一光子或光颗粒的传感器组成。

凭借超过1,000个传感器或像素，NIST的相机在未来的基于空间的望远镜中可能是有用的，寻找其他行星上的生命的化学迹象，并且在旨在寻找难以捉摸的“暗物质”的新乐器中，据信构成了大部分宇宙中的“东西”。

在光学表达中描述，相机包括由超导纳米线制成的传感器，其可以检测单个光子。它们是在速度，效率和颜色敏感度范围内最好的光子计数器之一。一支NIST团队使用这些探测器展示了爱因斯坦的“距离幽灵动作”，例如。

NIST研究人员Varun Verma解释了一种由纳米尺度线制成的新NIST相机如何有效地捕获来自可能港口生命的额外行星的大气的光。

纳米线探测器还具有任何类型的光子传感器的最低暗计数，这意味着它们不计算由噪声而不是光子引起的错误信号。此功能特别适用于暗品搜索和基于空间的天文学。但是，对于这些应用，需要具有更多像素和更大的物理尺寸的相机，并且对于这些应用，它们还需要检测红外频带的远端的光，波长比目前实用更长。

NIST的相机在物理尺寸上很小，方形在一侧测量1.6毫米，但填充1,024个传感器（32个柱32行），以制造高分辨率图像。主要挑战是寻找一种在没有过热的情况下融合和获得来自这么多探测器的结果的方法。研究人员扩展了他们之前用64个传感器的较小相机演示的“读出”架构，这些相机从行和列中增加了数据，迈出了满足国家航空航天局（NASA）的要求。

“我的制造相机的主要动机是美国宇航局的起源空间望远镜项目，该项目正在研究使用这些阵列来分析我们太阳系之外的行星轨道的化学成分，”NIST Electronics工程师Varun Verma说。他指出，地球大气中的每个化学元素都会吸收一套独特的颜色。

“这个想法是看看在其父母恒星前方的外表气氛边缘的光线的吸收光谱，”Verma解释说。“吸收签名告诉您大气中的元素，特别是那些可能导致寿命的元素，例如水，氧和二氧化碳。这些元素的签名位于到远红外光谱中，大区域单光子计数探测器阵列尚未存在于该区域的该区域，因此我们收到了美国国家航空航天局的少量资金如果我们有助于解决这个问题。“

Verma及其同事取得了高的制造成功，99.5％的传感器正常工作。但是所需波长的探测器效率低。提升效率是下一个挑战。研究人员还希望制造更大的相机，也许是一百万个传感器。

其他应用也是可能的。例如，NIST相机可以帮助找到暗物质。世界各地的研究人员无法找到所谓的弱互动的巨大颗粒（WIMPS），并考虑寻找能量和质量较低的暗物质。超导纳米线探测器提供了计算稀有，低能量暗物质的排放和区分从背景噪声的实际信号的承诺。

新相机是在科罗拉多州博尔德的NIST的微制造工厂的复杂过程中制作的。探测器在切片成芯片的硅晶片上制造。由钨和硅合金制成的纳米线约为3.5毫米长，180纳米（NM）宽，厚3纳米。布线由超导铌制成。

加利福尼亚州帕萨迪纳加州技术研究所的喷气推进实验室（JPL）测量了相机性能。由于其对深空光通信的工作，JPL具有必要的电子产品。

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参考：“千克纳米线单光子探测器千克列克尔阵列”由艾玛E.Wollman，Varun B. Verma，Adriana E. Lita，William H.Farr，Matthew D. Shaw，Richard P. Mirin和Sae Woo Nam，Optics Express，Vol 。 27，第24页，第24页，第35279-35289（2019）.DOI：
10.1364 / OE.27.035279.

该工作得到了美国宇航局和国防高级研究项目机构的支持。

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