От медицины до космической связи: высокочувствительную однофотонную камеру создали российские физики

Сверхскоростная съемка при минимальном количестве света — такие возможности открывает высокотехнологичная видеокамера на основе сверхпроводниковых датчиков единичных фотонов, разработанная командой российских физиков из научно-технологической компании «Сконтел» (SCONTEL), созданной на базе Проблемной радиофизической лаборатории Московского педагогического государственного университета и сегодня занимающей передовые позиции в мировом производстве сверхпроводниковых однофотонных детекторов. Подробнее о проекте корреспонденту «Научной России» рассказал основатель компании, заведующий кафедрой общей и экспериментальной физики МПГУ, главный научный сотрудник Университета МИСИС, доктор физико-математических наук Григорий Наумович Гольцман. Ученый представил разработку 6 октября в МИСИС на третьем заседании Квантового клуба журналистов, организованного госкорпорацией «Росатом».

«Наша компания SCONTEL, зарегистрированная в 2004 г., через три года после выхода первых публикаций нашего коллектива о новой технологии регистрации одиночных фотонов, в течение достаточно долгого времени выпускала многоканальные системы регистрации фотонов. Поскольку наши заказчики были заинтересованы в получении все более многоканальных устройств, мы довели число каналов в наших системах до 32, — поделился предысторией проекта Г.Н. Гольцман. — И на этом этапе стало понятно, что просто наращивать количество отдельных каналов уже технологически бессмысленно и надо переходить к однофотонной камере, каждый пиксель которой регистрирует отдельные фотоны. В этом случае возможности масштабирования не ограничены, что позволит в конечном итоге перейти к мегапиксельным однофотонным камерам — фактически аналогичным классическим видеокамерам, но основанным на принципе сверхпроводимости и способных регистрировать одиночные фотоны».

Работа однофотонных датчиков, созданных командой Г.Н. Гольцмана, основана на открытом учеными новом эффекте: когда тончайший нанопровод из сверхпроводника поглощает фотон, в этой точке состояние сверхпроводимости нарушается. В результате ток резко ослабевает и возникает импульс электрического напряжения, который можно использовать в качестве сигнала о регистрации частицы света.

Пока на рынке не существует камер, способных детектировать одиночные фотоны. Самые чувствительные устройства, которые очень дорого стоят и изготавливаются в единичных странах, позволяют получить сигнал с одного пикселя, когда количество регистрируемых фотонов достигает нескольких сотен. Только тогда соотношение сигнала и шума становится приемлемым.

К настоящему времени ученые завершили опытно-конструкторские работы по созданию первой однофотонной видеокамеры с разрешением 1 тыс. пикселей, работающей в диапазоне длин волн от 400 до 1600 нм. Сама установка занимает объем в пределах 1 м³ (для сравнения — классические высокочувствительные мегапиксельные камеры обычно не превышают в объеме 1 дм³). Однофотонная видеокамера также потребляет значительно больше электроэнергии — основной прирост связан с работой криогенной системы на основе гелия, способной в течение многих лет бесперебойно поддерживать внутри системы экстремально низкую температуру (около 2–3 K), необходимую для обеспечения сверхпроводимости и регистрации сигналов. В созданной учеными видеокамере применяется подход Time Division Multiplexing (мультиплексирование с разделением по времени).

«Создать однофотонную мегапиксельную камеру крайне сложно. Чтобы упростить технологию, в их создании применяется принцип, при котором пиксели не выделены физически, а существуют только в виртуальном виде. Разделение изображения на отдельные пиксели происходит только посредством специального программного обеспечения», — пояснил Г.Н. Гольцман.

Разработанная учеными видеокамера способна принести большую пользу в наукоемких областях, где требуется чуткая регистрация крошечных порций светового излучения. Одно из возможных применений системы — медицинская диагностика.

«В медицине уже используются приборы, регистрирующие одиночные фотоны, испускаемые отдельными молекулами в организме человека. При этом для того, чтобы получить полное изображение, требуется длительное механическое сканирование. В то же время при наличии однофотонной камеры вы сразу получите изображение, а в роли источника света могут выступать отдельные молекулы-маркеры, специально вводимые в организм для получения определенной информации — допустим, чтобы точно знать границы маленькой раковой опухоли перед ее удалением», — привел пример Г.Н. Гольцман.

Еще одна возможность, которую дает созданная учеными технология, — прием большого потока информации из дальнего космоса. Например, как рассказал Г.Н. Гольцман, американцы опирались на созданную его коллективом технологию однофотонных датчиков, создавая системы, обеспечивавшие высококачественную видеосвязь с участниками миссии NASA Artemis II со скоростью передачи данных, достигавшей сотни мегабит в секунду. Ограничения этой технологии как раз напрямую зависят от конструкции наземных приемных устройств, и развитие однофотонных камер способно вывести передачу данных из дальнего космоса на новый уровень.

Наравне с высочайшей чувствительностью второе преимущество однофотонной видеокамеры — огромная частота съемки: миллионы кадров в секунду. Таким образом, разработанная установка позволяет регистрировать процессы, которые происходят очень быстро и потому сопровождаются крайне малым количеством излученного света.

«В планах — разработка однофотонной видеокамеры на сотни тысяч пикселей. В отдаленном будущем предполагается переход к мегапиксельным камерам. Для масштабирования необходима разработка новой технологии, и ее реализуемость уже доказана, — заключил Г.Н. Гольцман. — В 2018 г. мы завершили фундаментальные исследования прикладной сверхпроводимости, показав принципиальную возможность перехода от наноструктур к микроструктурам. Возможность увеличения масштабов процесса от 100 нм до микрометров — большой шаг вперед в технологии, значительно снижающий ее стоимость и как раз открывающий путь от 1 тыс. пикселей к мегапикселям».

Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Фото на превью: Анастасия Жукова / «Научная Россия». 

Фото на странице: Анастасия Жукова / «Научная Россия», aukid / фотобанк 123RF, solerf / фотобанк 123RF.