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Les chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont fabriqué l’une des caméras les plus performantes jamais construites avec des capteurs qui comptent chacun des photons simples.

Une caméra qui compte les photons individuellement

Avec plus de 1 000 pixels, la caméra du NIST pourrait être utile dans les futurs télescopes spatiaux à la recherche de signes chimiques de vie sur d’autres planètes, et dans de nouveaux instruments conçus pour rechercher la « matière noire » que l’on croit constituer la plupart des « choses » de l’Univers.
Cette caméra est constituée de capteurs fabriqués avec des nanofils supraconducteurs, capables de détecter des photons isolés. Ils sont parmi les meilleurs compteurs de photons en matière de vitesse, d’efficacité et de plage de sensibilité des couleurs.
Les détecteurs à nanofils ont également les taux de comptage d’obscurité les plus bas de tous les types de capteurs à photons, ce qui signifie qu’ils ne comptent pas les faux signaux causés par le bruit plutôt que les photons. Cette fonctionnalité est particulièrement utile pour la recherche de la matière noire et l’astronomie spatiale.
Mais des caméras avec plus de pixels et des dimensions physiques plus grandes qu’auparavant sont nécessaires pour ces applications, et elles doivent également détecter la lumière à l’extrémité de la bande infrarouge, avec des longueurs d’onde plus longues que celles actuellement disponibles.
La caméra du NIST est de petite taille, avec 1,6 millimètre de côté, mais rempli de 1 024 capteurs (32 colonnes par 32 rangées) pour produire des images haute résolution. Le principal défi était de trouver un moyen de rassembler et d’obtenir des résultats à partir d’un si grand nombre de détecteurs sans les surchauffer.

Une architecture déjà exploitée

Les chercheurs ont utilisé une architecture de « lecture » qu’ils avaient déjà exploitée avec une caméra plus petite de 64 capteurs qui additionne les données des rangées et des colonnes, une étape vers des exigences de la National Aeronautics and Space Administration de la NASA.

« Ma principale motivation pour fabriquer cette caméra est le projet du télescope spatial Origins de la NASA, qui étudie l’utilisation de ces réseaux pour analyser la composition chimique des planètes en orbite autour des étoiles à l’extérieur de notre système solaire », a déclaré Varun Verma, ingénieur électronique du NIST. Chaque élément chimique de l’atmosphère de la planète absorberait un ensemble unique de couleurs, a-t-il souligné.
« L’idée est d’observer les spectres d’absorption de la lumière qui traverse le bord de l’atmosphère d’une exoplanète lorsqu’elle passe devant son étoile mère », explique Verma. « Les signatures d’absorption vous renseignent sur les éléments chimiques de l’atmosphère, en particulier ceux qui peuvent donner naissance à la vie, comme l’eau, l’oxygène et le dioxyde de carbone. Les signatures de ces éléments se situent dans le spectre infrarouge moyen à lointain, et il n’existe pas encore de réseaux de détecteurs à un seul photon pour cette région du spectre, alors nous avons reçu un financement de la NASA pour voir si nous pourrions aider à résoudre ce problème.

99,5 % des capteurs fonctionnaient correctement lors de tests

Verma et ses collègues ont obtenu un grand succès lors de la fabrication de cette caméra, avec 99,5 % des capteurs qui fonctionnaient correctement après avoir fait des tests. Mais l’efficacité du détecteur à la longueur d’onde souhaitée est faible. L’augmentation de l’efficacité est le prochain défi à relever. Les chercheurs espèrent également fabriquer des caméras encore plus grosses, peut-être avec un million de capteurs.
D’autres applications sont également possibles. Par exemple, elle peut aider à trouver la matière noire. Les chercheurs du monde entier n’ont pas réussi à trouver ce qu’on appelle des particules massives à interaction faible (WIMPs) et envisagent de chercher de la matière noire avec une énergie et une masse inférieures. Les détecteurs supraconducteurs à nanofils sont prometteurs pour compter les émissions de la matière noire à basse énergie et distinguer les signaux réels du bruit de fond.

Une fabrication dans un processus complexe

Cette nouvelle caméra a été fabriquée dans le cadre d’un processus complexe à l’installation de microfabrication du NIST à Boulder, au Colorado. Les détecteurs sont fabriqués sur des plaquettes de silicium coupées en dés dans des puces. Les nanofils, sont faits d’un alliage de tungstène et de silicium, qui mesurent environ 3,5 millimètres de long, 180 nanomètres de large et 3 nanomètres d’épaisseur. Le câblage est fait de niobium supraconducteur.
Les résultats de l’équipe ont été publiés dans Optic Express.
Source : National Institute of Standards and Technology
Crédit photo : Pixabay