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NIST制造出基于光子計數傳感器的新款相機，助力探測外星生命
11月26日消息，據麥姆斯咨詢報道，美國國家標準與技術協會（NIST）的研究人員制造出有史以來性能最佳的相機，該相機由可對單光子或光粒子計數的傳感器組成。NIST的這款相機擁有1000多個傳感器（每個傳感器可以稱為像素），未來它可能用于天基望遠鏡來尋找其它行星上生命的化學跡象，以及用于新儀器來尋找難以捉摸的“暗物質”。暗物質被認為是構成宇宙中大部分物質的“材料”。
圖為NIST高分辨率相機的顯微照片，該相機由1024個可對單光子或光粒子計數的傳感器組成。這款相機是專為未來天基望遠鏡而設計，可用以尋找其它行星上生命的化學跡象。該32 x 32傳感器陣列可通過周圍環繞的粉色引線和金色引線連接到編譯數據的電子設備上。（圖片來源：NIST）
據Optics Express上發表的研究顯示，NIST這款相機由超導納米線制成的傳感器組成，可探測單光子。從速度、效率和感色靈敏度范圍等方面來看，它們是最好的光子計數器之一。NIST的團隊使用這些探測器來解釋愛因斯坦的“鬼魅般的超距作用”。
納米線探測器的暗計數率低于任何類型的光子傳感器，這意味著它們不會計數由噪聲而非光子引起的誤報信號。該特性對暗物質搜索和天基天文學特別有用。但是，這些應用均需要比以往更高像素、更大物理尺寸的相機，而且這類相機還需探測遠紅外波段，該波段波長比目前實際探測的波長要長。
NIST這款相機的尺寸很小，是個邊長僅為1.6mm的正方體，但它搭載了1024個傳感器（32 x 32），用以實現高分辨率圖像。制造該款相機的主要挑戰是：在不出現過熱的情況下，尋找到從數量如此多的探測器中整理并獲得有效結果的方法。研究人員利用搭載64個傳感器組成的更小尺寸的相機，擴展了他們先前展示的“讀出”構架，這一改進是向著美國國家航空航天局（NASA）的要求又邁進了一步。
“我研發這款相機的初衷是為了NASA的起源太空望遠鏡（Origins Space Telescope）項目，該項目正在研究利用傳感器陣列來分析太陽系外環繞恒星的行星的化學成分，”NIST電子工程師Varun Verma認為。他指出，地球大氣中的每一種化學元素都會吸收一組特定的顏色。
“我們是想觀察當系外行星掠過其母星前凌日時，穿過其大氣層邊緣的光的吸收光譜，”Verma解釋道。“利用吸收特征可以探測出大氣中的元素，特別是那些可能產生生命的元素，如水、氧和二氧化碳。這些元素的特征可在中紅外到遠紅外光譜中體現，而針對該光譜區域的大面積單光子計數探測器陣列還不存在，因此我們從NASA獲得了少量資金來幫助他們解決這個問題。”
Verma和同事在該相機的制造上取得了很高的成就，其中99.5%的傳感器均可正常運行。但是，探測器在理想波段的工作效率較低。提升探測器效率將是接下來的挑戰。研究人員還希望制造更大尺寸的相機，也許會搭載100萬個傳感器。
將該相機應用于其它領域也是可能的。例如，NIST的相機可能有助于發現暗物質。世界各地的研究人員一直未能找到所謂的大質量弱相互作用粒子（WIMPs），因此他們正在考慮尋找能量和質量都較低的暗物質。超導納米線探測器有望實現計算稀有、低能暗物質的排放量以及從背景噪聲中辨別真實信號。
該新款相機的工藝復雜，生產于NIST位于北美科羅拉多州Boulder的精密加工廠。探測器在切成薄片的硅片上制造而成；納米線由鎢硅合金制成，長約3.5mm，寬約180nm，厚3nm；導線由超導鈮制成。同時，該相機是在加州理工學院的噴氣推進實驗室（JPL）完成了性能測試。JPL因其從事深空光通信方面的工作而擁有測試所需的必要電子設備。