Süper iletken kamera teknolojisindeki son gelişmeler, zayıf astronomik sinyalleri tespit edebilen 400.000 piksellik bir kameranın geliştirilmesine yol açtı. Minimum gürültüyle çalışan bu kamera, NASA’nın DSOC projesinde uygulanması yoluyla Dünya benzeri gezegenlerin araştırılmasında devrim yaratabilir ve derin uzay iletişimini geliştirebilir. Kredi bilgileri: SciTechDaily.com
400.000 piksele sahip yeni süper iletken kamera, astronomi ve kuantum teknolojisi uygulamaları için düşük gürültülü, yüksek çözünürlüklü görüntülemede benzeri görülmemiş yetenekler sunuyor.
Uzak yıldızlar ve ötegezegenler gibi sönük gök cisimlerinin peşinde, her şeyi yakalıyor foton bir görevin bilimsel verimini en üst düzeye çıkarmak için gereklidir. Bu görev için kullanılan kameraların son derece düşük gürültü seviyeleriyle çalışması ve en küçük ışık miktarlarını, yani tek fotonları algılaması gerekir.
Geçmişte, süper iletken kameralar, bu düşük gürültü ve yüksek hassasiyet gereksinimlerini karşılarken, genellikle birkaç bin pikseli aşmayan küçük boyutları nedeniyle sınırlıydı ve bu da yüksek çözünürlüklü görüntüler yakalama kapasitelerini kısıtlıyordu. Ancak bir araştırma ekibinin yakın zamanda gerçekleştirdiği buluş bu engeli yıktı ve 400.000 pikselli süper iletken bir kamera yarattı. Bu ilerleme, ultraviyoleden kızılötesi dalga boylarına kadar geniş bir spektrumda zayıf astronomik sinyallerin tespit edilmesini sağlar.
Süper iletken nano telli tek foton dedektörlerini temel alan 400.000 piksellik süper iletken kamera. Kredi bilgileri: Adam McCaughan/NIST
Pek çok başka kamera teknolojisi mevcut olsa da, süper iletken dedektörler kullanan kameralar, son derece düşük gürültülü çalışmalarından dolayı astronomik görevlerde kullanım için oldukça caziptir. Zayıf kaynakları görüntülerken, kameranın alınan ışık miktarını aslına sadık bir şekilde raporlaması ve alınan ışık miktarını çarpıtmaması veya kendi yanlış sinyallerini enjekte etmemesi çok önemlidir. Süper iletken dedektörler, düşük sıcaklıkta çalışmaları ve benzersiz bileşimleri sayesinde bu görevi fazlasıyla yerine getirebilirler. Proje lideri Dr. Adam McCaughan’ın tanımladığı gibi, “bu dedektörlerle tüm gün boyunca veri alabilir, milyarlarca foton yakalayabilirsiniz ve bu fotonların ondan azı gürültünün sonucu olacaktır.”
NIST ekip üyeleri Bakhrom Oripov (solda) ve Ryan Morgenstern (sağda) süper iletken kamerayı özel bir kriyojenik sahneye monte ediyor. Kredi bilgileri: Adam McCaughan/NIST
Ancak süper iletken dedektörler astronomi uygulamaları için büyük umut vaat etse de, nispeten az sayıda piksele izin veren küçük kamera boyutları nedeniyle bu alandaki kullanımları engellenmiştir. Bu dedektörler çok hassas olduğundan, birçoğunu küçük bir alana, birbirlerine müdahale etmeden sığdırmak zordur. Ayrıca, bu dedektörlerin kriyojenik bir buzdolabında soğuk tutulması gerektiğinden, sinyalleri kameradan daha sıcak okuma elektroniğine taşımak için yalnızca bir avuç dolusu kablo kullanılabilir.
Bu sınırlamaların üstesinden gelmek için Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’ndeki (NIST) araştırmacılar, NASA Jet Tahrik Laboratuvarı (JPL) ve Colorado Boulder Üniversitesi, iki boyutlu süper iletken nanotel tek foton dedektörü (SNSPD) dizilerinin sorgulanmasına zaman alanı çoğullama teknolojisini uyguladı. Bireysel SNSPD nanotelleri kesişen satırlar ve sütunlar halinde düzenlenmiştir. Bir foton geldiğinde, hangi pikselin sinyali gönderdiğini tespit etmek için bir satır dedektörü ve bir sütun dedektörünü tetikleme süreleri ölçülür. Bu yöntem, kameranın birçok satırını ve sütununu binlerce kablo yerine yalnızca birkaç okuma kablosuna verimli bir şekilde kodlamasına olanak tanır.
Bu animasyon, araştırmacıların kendi türünde en yüksek çözünürlüklü kamera olan 400.000 tek telli süper iletken kamera oluşturmasını mümkün kılan yeni geliştirilen okuma sistemini tasvir ediyor. Kredi bilgileri: S. Kelley/NIST
SNSPD’ler, mikrodalga kinetik endüktans dedektörleri (MKID), geçiş kenarı sensörleri (TES) ve kuantum kapasitans dedektörleri (QCD) dahil olmak üzere bu tür birçok süper iletken dedektör teknolojisinin bir koleksiyonundaki bir dedektör türüdür. SNSPD’ler, diğer teknolojilerin gerektirdiği millikelvin sıcaklıklarından çok daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilmeleri ve tek tek fotonların rengini çözemeseler de son derece iyi zamanlama çözünürlüğüne sahip olmaları bakımından benzersizdir. SNSPD’ler neredeyse yirmi yıldır NIST, JPL ve topluluktaki diğer kişiler tarafından ortaklaşa araştırılıyor ve bu en son çalışma ancak daha geniş süperiletken dedektör topluluğunun sağladığı ilerlemeler sayesinde mümkün oldu.
Ekip bu okuma mimarisini uyguladıktan sonra, son derece büyük sayıda piksele sahip süper iletken kameralar oluşturmanın hemen kolaylaştığını gördü. Teknik lider Dr. Bakhrom Oripov’un açıkladığı gibi, “Buradaki en büyük ilerleme, dedektörlerin gerçekten bağımsız olmasıdır; dolayısıyla daha fazla piksele sahip bir kamera istiyorsanız, çipe daha fazla dedektör eklemeniz yeterli.” Araştırmacılar, son projelerinin 400.000 piksellik bir cihaz olduğunu, ancak bir milyonun üzerinde piksele sahip bir cihazın da tanıtımlarının yakında yapılacağını ve henüz bir üst sınır bulamadıklarını belirtiyor.
JPL ekip üyeleri, süper iletken kamerayı uzak ultraviyole dalga boylarında test etmek için kullanılacak iki prototip kriyo soğutucuya sahip. Soldan sağa Emanuel Knehr, Boris Korzh, Jason Allmaras ve Andrew Beyer. Kredi bilgileri: Boris Korzh/NASA JPL
Araştırmacıların kameralarının faydalı olabileceğini düşündüğü en heyecan verici şeylerden biri, güneş sistemimiz dışındaki Dünya benzeri gezegenlerin araştırılmasıdır. Bu gezegenleri başarıyla tespit etmek için gelecekteki uzay teleskopları uzak yıldızları gözlemleyecek ve yörüngedeki gezegenlerden gelen yansıyan veya yayılan ışığın küçük kısımlarını arayacak. Bu sinyalleri tespit etmek ve analiz etmek son derece zordur ve çok uzun pozlama gerektirir; bu da teleskop tarafından toplanan her fotonun çok değerli olduğu anlamına gelir. Güvenilir, düşük gürültülü bir kamera, bu inanılmaz derecede küçük miktardaki ışığı tespit etmek için kritik öneme sahip olacaktır.
SNSPD kameraları, derin uzaydaki görevlerden gelen optik iletişim sinyallerini tespit etmek için Dünya’da da kullanılabilir. Aslında NASA şu anda bu yeteneği, gezegenler arası uzaydan serbest uzay optik iletişiminin ilk gösterimi olan Derin Uzay Optik İletişimi (DSOC) projesi aracılığıyla gösteriyor. DSOC, 13 Ekim’de fırlatılan ve Psyche asteroitine doğru yola çıkan Psyche adlı bir uzay aracından Palomar Gözlemevi’ndeki SNSPD tabanlı yer terminaline veri gönderiyor. Optik bağlantılar, gezegenler arası mesafelerden radyo frekansı bağlantılarına göre çok daha yüksek hızda veri iletebilir. Psyche verilerini alan yer istasyonu için geliştirilen kameranın mükemmel zamanlama çözünürlüğü, uzay aracından gelen optik verilerin kodunun çözülmesine olanak tanıyor ve bu da belirli bir zamanda radyo sinyallerinin kullanıldığı duruma göre çok daha fazla verinin alınmasına olanak tanıyor.
Bu sensörler aynı zamanda Dünya’daki birçok uygulama için de faydalı olacaktır. Bu kameranın çalışma dalga boyu çok esnek olduğundan, daha önce tespit edilemeyen hücrelerden ve moleküllerden gelen zayıf sinyalleri tespit etmek amacıyla biyomedikal görüntüleme uygulamaları için optimize edilebilir. Dr. McCaughan şunları kaydetti: “Bu kameraların sinir bilimcilerin eline geçmesini çok isteriz. Bu teknoloji onlara beynimizi tamamen müdahaleci olmayan bir şekilde incelemek için yeni bir araç sağlayabilir.”
Son olarak, karmaşık süreçleri simüle etme ve optimize etme yöntemimizin yanı sıra iletişim ve işlemleri güvence altına alma yöntemimizi değiştirmeyi vaat eden, hızla büyüyen kuantum teknolojisi alanı da bu heyecan verici teknolojiden faydalanacak gibi duruyor. Tek bir foton, tek bir bitlik kuantum bilgisini aktarmak veya hesaplamak için kullanılabilir. Pek çok şirket ve hükümet şu anda kuantum bilgisayarlarının ve iletişim bağlantılarının ölçeğini büyütmeye çalışıyor ve kolayca ölçeklenebilen tek fotonlu bir kameraya erişim, kuantum teknolojilerinin tüm potansiyelini ortaya çıkarmanın önündeki en büyük engellerden birinin üstesinden gelebilir.
Araştırma ekibine göre bir sonraki adım, bu ilk gösterimi gerçekleştirmek ve uzay uygulamaları için optimize etmek olacak. Ortak proje lideri Dr. Boris Korzh, “Şu anda elimizde bir kavram kanıtlama gösterimi var” diyor ve ekliyor: “ancak tam potansiyelini göstermek için bunu optimize etmemiz gerekecek.” Araştırma ekibi şu anda bu yeni teknolojinin hem ultraviyole hem de kızılötesinde kullanımını doğrulayacak ultra yüksek verimli kamera gösterileri planlıyor.