Avanços recentes na tecnologia de câmeras supercondutoras levaram ao desenvolvimento de uma câmera de 400.000 pixels capaz de detectar sinais astronômicos fracos. Esta câmera, que opera com ruído mínimo, poderá revolucionar a busca por planetas semelhantes à Terra e melhorar a comunicação no espaço profundo através de sua aplicação no projeto DSOC da NASA. Crédito: SciTechDaily.com
Uma nova câmera supercondutora com 400.000 pixels oferece recursos sem precedentes em imagens de baixo ruído e alta resolução para aplicações em astronomia e tecnologia quântica.
Na busca por objetos celestes fracos, como estrelas distantes e exoplanetas, capturando cada fóton é essencial para maximizar o rendimento científico de uma missão. As câmeras usadas para esta tarefa precisam operar com níveis de ruído extremamente baixos e detectar as menores quantidades de luz – fótons únicos.
Historicamente, as câmeras supercondutoras, embora atendam a esses requisitos de baixo ruído e alta sensibilidade, têm sido limitadas pelo seu pequeno tamanho, muitas vezes não excedendo alguns milhares de pixels, o que restringe a sua capacidade de capturar imagens de alta resolução. No entanto, um avanço de uma equipa de investigação quebrou recentemente essa barreira, criando uma câmara supercondutora com 400.000 pixels. Este avanço permite a detecção de sinais astronômicos fracos em um amplo espectro, desde comprimentos de onda ultravioleta até infravermelho.
A câmera supercondutora de 400.000 pixels baseada em detectores de fótons únicos de nanofios supercondutores. Crédito: Adam McCaughan/NIST
Embora existam muitas outras tecnologias de câmeras, as câmeras que usam detectores supercondutores são muito atraentes para uso em missões astronômicas devido à sua operação com ruído extremamente baixo. Ao obter imagens de fontes fracas, é crucial que a câmera relate fielmente a quantidade de luz recebida e não distorça a quantidade de luz recebida ou injete seus próprios sinais falsos. Os detectores supercondutores são mais do que capazes de realizar esta tarefa, devido à sua operação em baixa temperatura e composição única. Conforme descrito pelo líder do projeto, Dr. Adam McCaughan, “com esses detectores você poderia coletar dados o dia todo, capturando bilhões de fótons, e menos de dez desses fótons seriam o resultado de ruído”.
Os membros da equipe do NIST, Bakhrom Oripov (esquerda) e Ryan Morgenstern (direita) montam a câmera supercondutora em um estágio criogênico especializado. Crédito: Adam McCaughan/NIST
Mas embora os detectores supercondutores sejam uma grande promessa para aplicações astronômicas, seu uso nesse campo tem sido dificultado por câmeras de pequeno tamanho que permitem relativamente poucos pixels. Como esses detectores são muito sensíveis, é difícil agrupar muitos deles em uma área pequena sem que interfiram uns com os outros. Além disso, como esses detectores precisam ser mantidos frios em uma geladeira criogênica, apenas alguns fios podem ser usados para transportar os sinais da câmera até os componentes eletrônicos de leitura mais quentes.
Para superar essas limitações, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), o NASA Laboratório de Propulsão a Jato (JPL) e a Universidade do Colorado Boulder aplicaram a tecnologia de multiplexação no domínio do tempo à interrogação de matrizes bidimensionais de detectores de fótons únicos de nanofios supercondutores (SNSPD). Os nanofios SNSPD individuais são organizados como linhas e colunas que se cruzam. Quando um fóton chega, os tempos necessários para acionar um detector de linha e um detector de coluna são medidos para determinar qual pixel enviou o sinal. Este método permite que a câmera codifique com eficiência suas muitas linhas e colunas em apenas alguns fios de leitura, em vez de milhares de fios.
Esta animação mostra o sistema de leitura recém-desenvolvido que possibilitou aos pesquisadores construir uma câmera supercondutora de 400.000 fios únicos, a câmera de maior resolução desse tipo. Crédito: S. Kelley/NIST
SNSPDs são um tipo de detector em uma coleção de muitas tecnologias de detectores supercondutores, incluindo detectores de indutância cinética de micro-ondas (MKID), sensores de borda de transição (TES) e detectores de capacitância quântica (QCD). Os SNSPDs são únicos porque são capazes de operar muito mais quentes do que as temperaturas de milikelvin exigidas por essas outras tecnologias e podem ter uma resolução de tempo extremamente boa, embora não sejam capazes de resolver a cor de fótons individuais. Os SNSPDs têm sido pesquisados colaborativamente pelo NIST, JPL e outros na comunidade há quase duas décadas, e este trabalho mais recente só foi possível graças aos avanços gerados pela comunidade mais ampla de detectores de supercondutores.
Depois que a equipe implementou essa arquitetura de leitura, eles descobriram que imediatamente se tornou simples construir câmeras supercondutoras com um número extremamente grande de pixels. Conforme descrito pelo líder técnico Dr. Bakhrom Oripov, “O grande avanço aqui é que os detectores são verdadeiramente independentes, então se você quiser uma câmera com mais pixels, basta adicionar mais detectores ao chip”. Os pesquisadores observam que, embora seu projeto recente tenha sido um dispositivo de 400.000 pixels, eles também têm uma demonstração futura de um dispositivo com mais de um milhão de pixels e ainda não encontraram um limite máximo.
Membros da equipe do JPL com dois protótipos de crioresfriadores que serão usados para testar a câmera supercondutora em comprimentos de onda do ultravioleta distante. Da esquerda para a direita, Emanuel Knehr, Boris Korzh, Jason Allmaras e Andrew Beyer. Crédito: Boris Korzh/NASA JPL
Uma das coisas mais interessantes para as quais os pesquisadores acham que sua câmera poderia ser útil é a busca por planetas semelhantes à Terra fora do nosso sistema solar. Para detectar estes planetas com sucesso, os futuros telescópios espaciais observarão estrelas distantes e procurarão por pequenas porções de luz reflectida ou emitida proveniente de planetas em órbita. Detectar e analisar estes sinais é extremamente desafiador e requer exposições muito longas, o que significa que cada fóton coletado pelo telescópio é muito valioso. Uma câmera confiável e de baixo ruído será fundamental para detectar essas quantidades incrivelmente pequenas de luz.
As câmeras SNSPD também podem ser usadas na Terra para detectar sinais de comunicação óptica de missões no espaço profundo. Na verdade, a NASA está actualmente a demonstrar esta capacidade através do projecto Deep Space Optical Communications (DSOC), que é a primeira demonstração de comunicação óptica no espaço livre a partir do espaço interplanetário. O DSOC está enviando dados de uma espaçonave chamada Psyche – que foi lançada em 13 de outubro e está a caminho do asteroide Psyche – para um terminal terrestre baseado no SNSPD no Observatório Palomar. Os links ópticos podem transmitir dados a uma taxa muito mais alta do que os links de radiofrequência a partir de distâncias interplanetárias. A excelente resolução temporal da câmera desenvolvida para a estação terrestre que recebe dados de Psyche permite decodificar dados ópticos da espaçonave, o que permite que muito mais dados sejam recebidos em um determinado momento do que se fossem empregados sinais de rádio.
Esses sensores também serão úteis para muitas aplicações na Terra. Como o comprimento de onda operacional desta câmera é muito flexível, ela poderia ser otimizada para aplicações em imagens biomédicas para detectar sinais fracos de células e moléculas, que anteriormente não eram detectáveis. McCaughan observou: “Adoraríamos colocar essas câmeras nas mãos de neurocientistas. Esta tecnologia poderia fornecer-lhes uma nova ferramenta para estudar os nossos cérebros, de uma forma completamente não intrusiva.”
Finalmente, o campo em rápido crescimento da tecnologia quântica, que promete mudar a forma como protegemos as comunicações e as transações, bem como a forma como simulamos e otimizamos processos complexos, também tem a ganhar com esta tecnologia emocionante. Um único fóton pode ser usado para transferir ou calcular um único bit de informação quântica. Muitas empresas e governos estão atualmente a tentar expandir os computadores quânticos e as ligações de comunicação e o acesso a uma câmara de fotão único que é tão facilmente escalável, poderia superar um dos principais obstáculos para desbloquear todo o potencial das tecnologias quânticas.
Segundo a equipa de investigação, os próximos passos serão aproveitar esta demonstração inicial e otimizá-la para aplicações espaciais. “No momento, temos uma demonstração de prova de conceito”, diz o co-líder do projeto, Dr. Boris Korzh, “mas precisaremos otimizá-la para mostrar todo o seu potencial”. A equipe de pesquisa está atualmente planejando demonstrações de câmeras de altíssima eficiência que validarão a utilidade desta nova tecnologia tanto no ultravioleta quanto no infravermelho.
