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| Crédito: S. Kelley/National Institute of Standards and Technology |
Una cámara capaz de captar cada fotón de luz, incluso en las condiciones más
oscuras. Una cámara capaz de ver galaxias débiles, planetas lejanos y el
funcionamiento interno del cerebro humano. Una cámara con 400.000 píxeles,
cada uno de ellos lo bastante sensible para detectar un solo cuanto de luz.
Una cámara así ha dejado de ser una fantasía gracias a los esfuerzos de los
investigadores del Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) y sus
colegas del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA y la
Universidad de Colorado Boulder. Han construido una cámara superconductora que
contiene 400.000 píxeles, 400 veces más que cualquier otro dispositivo de este
tipo. El trabajo se publica en la edición del 26 de octubre de Nature.
La cámara del NIST está formada por rejillas de cables eléctricos ultrafinos,
enfriados hasta casi el cero absoluto, en los que la corriente se mueve sin
resistencia hasta que un fotón incide sobre un cable. En estas cámaras de
nanocables superconductores, la energía impartida por un solo fotón puede
detectarse porque apaga la superconductividad en un lugar concreto (píxel) de
la rejilla. La combinación de todas las ubicaciones e intensidades de todos
los fotones conforma una imagen.
Las primeras cámaras superconductoras capaces de detectar fotones individuales
se desarrollaron hace más de 20 años. Desde entonces, los dispositivos no han
tenido más de unos pocos miles de píxeles, demasiado limitados para la mayoría
de las aplicaciones.
Crear una cámara superconductora con un mayor número de píxeles ha planteado
un serio desafío, ya que sería prácticamente imposible conectar cada píxel
refrigerado de entre muchos miles a su propio cable de lectura. El reto se
debe a que cada uno de los componentes superconductores de la cámara debe
enfriarse a temperaturas ultrabajas para funcionar correctamente, y conectar
individualmente cada píxel de entre millones al sistema de refrigeración sería
prácticamente imposible.
Los investigadores del NIST Adam McCaughan y Bakhrom Oripov y sus
colaboradores del JPL y CU Boulder superaron este obstáculo combinando las
señales de muchos píxeles en unos pocos cables de lectura a temperatura
ambiente. Una propiedad general de cualquier hilo superconductor es que
permite que la corriente fluya libremente hasta una determinada corriente
"crítica" máxima. Para aprovechar este comportamiento, los investigadores
aplicaron a los sensores una corriente justo por debajo de la máxima. En esas
condiciones, si un solo fotón incide en un píxel, destruye la
superconductividad. La corriente deja de fluir sin resistencia a través del
nanohilo y se desvía a un pequeño elemento calefactor resistivo conectado a
cada píxel. La corriente desviada crea una señal eléctrica que puede
detectarse rápidamente.
Los investigadores utilizaron esta técnica para crear una matriz de 400.000
píxeles, cada uno de los cuales mide 10 micrómetros por 10 micrómetros
(aproximadamente una décima parte del diámetro de un cabello humano). La
matriz cubre un área de unos 4 milímetros cuadrados (aproximadamente una sexta
parte de la superficie de una uña). Los investigadores demostraron que su
cámara puede capturar imágenes a una velocidad de hasta 10 fotogramas por
segundo.
La cámara del NIST tiene varias ventajas sobre las cámaras convencionales que
utilizan detectores basados en semiconductores, como los dispositivos de carga
acoplada (CCD) o los sensores complementarios de óxido metálico y
semiconductores (CMOS). En primer lugar, puede funcionar con niveles de luz
mucho más bajos, hasta fotones individuales, sin verse abrumada por el ruido o
la corriente oscura (la generación no deseada de electrones dentro del
detector). En segundo lugar, puede medir no sólo la intensidad, sino también
la longitud de onda y el tiempo de llegada de cada fotón, lo que permite
aplicaciones como la espectroscopia y el procesamiento cuántico de la
información. En tercer lugar, puede funcionar en una amplia gama de longitudes
de onda, desde la luz visible hasta el infrarrojo cercano.
La cámara del NIST podría abrir muchas aplicaciones nuevas en la investigación
científica y biomédica. Por ejemplo, podría utilizarse para obtener imágenes
de galaxias débiles o planetas situados más allá del sistema solar, medir la
luz en ordenadores cuánticos basados en fotones y realizar estudios biomédicos
que empleen luz infrarroja cercana para observar tejidos humanos.
Los investigadores planean seguir mejorando su cámara aumentando el número de
píxeles, reduciendo el tamaño de cada uno, mejorando la eficacia y la
velocidad de detección e integrando componentes ópticos como lentes y filtros.
Con el tiempo, esperan crear una cámara superconductora con millones o incluso
miles de millones de píxeles que podría rivalizar o superar el rendimiento de
cualquier tecnología de cámara existente.
"Se trata de un gran avance en términos de escalabilidad y rendimiento de las
cámaras monofotónicas", afirma McCaughan, director del equipo del NIST. "Hemos
demostrado que podemos fabricar grandes matrices de nanocables
superconductores con alta sensibilidad y velocidad. Esto abre nuevas
posibilidades para la obtención de imágenes y la detección a nivel cuántico."
Fuentes, créditos y referencias: