美国NIST研制出1024个可对单光子或光粒子计数传感器组成的高分辨率相机

据麦姆斯咨询报道，美国国家标准与技术协会（NIST）的研究人员制造出有史以来性能最佳的相机，该相机由可对单光子或光粒子计数的传感器组成。NIST的这款相机拥有1000多个传感器（每个传感器可以称为像素），未来它可能用于天基望远镜来寻找其它行星上生命的化学迹象，以及用于新仪器来寻找难以捉摸的“暗物质”。暗物质被认为是构成宇宙中大部分物质的“材料”。

NIST研制出1024个可对单光子或光粒子计数传感器组成的高分辨率相机

图为NIST高分辨率相机的显微照片，该相机由1024个可对单光子或光粒子计数的传感器组成。这款相机是专为未来天基望远镜而设计，可用以寻找其它行星上生命的化学迹象。该32 x 32传感器阵列可通过周围环绕的粉色引线和金色引线连接到编译数据的电子设备上。（图片来源：NIST）

据Optics Express上发表的研究显示，NIST这款相机由超导纳米线制成的传感器组成，可探测单光子。从速度、效率和感色灵敏度范围等方面来看，它们是最好的光子计数器之一。NIST的团队使用这些探测器来解释爱因斯坦的“鬼魅般的超距作用”。

纳米线探测器的暗计数率低于任何类型的光子传感器，这意味着它们不会计数由噪声而非光子引起的误报信号。该特性对暗物质搜索和天基天文学特别有用。但是，这些应用均需要比以往更高像素、更大物理尺寸的相机，而且这类相机还需探测远红外波段，该波段波长比目前实际探测的波长要长。

NIST这款相机的尺寸很小，是个边长仅为1.6mm的正方体，但它搭载了1024个传感器（32 x 32），用以实现高分辨率图像。制造该款相机的主要挑战是：在不出现过热的情况下，寻找到从数量如此多的探测器中整理并获得有效结果的方法。研究人员利用搭载64个传感器组成的更小尺寸的相机，扩展了他们先前展示的“读出”构架，这一改进是向着美国国家航空航天局（NASA）的要求又迈进了一步。

“我研发这款相机的初衷是为了NASA的起源太空望远镜（Origins Space Telescope）项目，该项目正在研究利用传感器阵列来分析太阳系外环绕恒星的行星的化学成分，”NIST电子工程师Varun Verma认为。他指出，地球大气中的每一种化学元素都会吸收一组特定的颜色。

“我们是想观察当系外行星掠过其母星前凌日时，穿过其大气层边缘的光的吸收光谱，”Verma解释道。“利用吸收特征可以探测出大气中的元素，特别是那些可能产生生命的元素，如水、氧和二氧化碳。这些元素的特征可在中红外到远红外光谱中体现，而针对该光谱区域的大面积单光子计数探测器阵列还不存在，因此我们从NASA获得了少量资金来帮助他们解决这个问题。”

Verma和同事在该相机的制造上取得了很高的成就，其中99.5%的传感器均可正常运行。但是，探测器在理想波段的工作效率较低。提升探测器效率将是接下来的挑战。研究人员还希望制造更大尺寸的相机，也许会搭载100万个传感器。

将该相机应用于其它领域也是可能的。例如，NIST的相机可能有助于发现暗物质。世界各地的研究人员一直未能找到所谓的大质量弱相互作用粒子（WIMPs），因此他们正在考虑寻找能量和质量都较低的暗物质。超导纳米线探测器有望实现计算稀有、低能暗物质的排放量以及从背景噪声中辨别真实信号。

该新款相机的工艺复杂，生产于NIST位于北美科罗拉多州Boulder的精密加工厂。探测器在切成薄片的硅片上制造而成；纳米线由钨硅合金制成，长约3.5mm，宽约180nm，厚3nm；导线由超导铌制成。同时，该相机是在加州理工学院的喷气推进实验室（JPL）完成了性能测试。JPL因其从事深空光通信方面的工作而拥有测试所需的必要电子设备。