Mathieu
Des caméras à base de supraconducteurs capables de détecter un seul photon – la plus petite quantité de lumière – existent depuis 20 ans, mais elles sont restées confinées dans les laboratoires en raison de l’incapacité à les étendre au-delà de quelques pixels. Maintenant, une équipe de l’Institut national des normes et de la technologie (NIST) à Boulder, Colorado, a créé une caméra à photon unique de 0,4 mégapixels, soit 400 fois plus grande que la plus grande caméra de ce type précédemment. Ils ont rapporté leurs résultats dans une prépublication soumise à arXiv le 15 juin.
Les caméras à photon unique, composées de nanofils supraconducteurs, mesurent la lumière avec une sensibilité et une rapidité inégalées, et sur une plage de fréquences inégalée. Avec cette avancée en taille, la caméra à photon unique est sur le point de passer d’une curiosité de laboratoire à une technologie industrielle. De telles caméras pourraient trouver leur place dans l’imagerie de l’univers sur le prochain télescope de type James Webb, dans la mesure de la lumière dans les ordinateurs quantiques et les communications photoniques, ainsi que dans l’exploration du cerveau avec des techniques non invasives basées sur la lumière.
“Du point de vue scientifique, cela ouvre certainement une nouvelle voie dans l’imagerie optique du cerveau”, déclare Stefan Carp, professeur associé de radiologie à la Harvard Medical School, qui n’a pas participé aux travaux. “D’autres approches pour cartographier optiquement le flux sanguin du cerveau peuvent avoir des coûts inférieurs, mais elles présentent toutes des défauts qui affectent la qualité du signal et nécessitent souvent un traitement de signal complexe. Il n’y a pas de compromis avec les nanofils d’un point de vue de performance.”
Les détecteurs de nanofils supraconducteurs peuvent capturer presque chaque photon, peuvent fonctionner aux fréquences visibles, ultraviolettes et infrarouges, et peuvent donner des résultats en quelques picosecondes pour une détection à haut taux d’images. La sensibilité des détecteurs vient du fait qu’un courant électrique suffisamment élevé traversant un matériau supraconducteur détruira ses propriétés supraconductrices. Chaque pixel de la caméra est un fil supraconducteur avec un courant réglé juste en dessous du seuil, de sorte qu’un seul photon entrant en collision avec le fil rompt sa supraconductivité. La rupture entraîne une résistance accrue sur le fil, qui peut être détectée presque immédiatement.
Le secret de l’agrandissement des caméras à photon unique
La performance d’un seul pixel est exceptionnelle, mais regrouper plusieurs pixels côte à côte sur une seule puce a été un défi de longue date. Pour parvenir à la supraconductivité, le dispositif doit être refroidi à des températures cryogéniques, et le câblage de nombreux pixels dans le système de refroidissement est prohibitif. “Je ne peux certainement pas mettre un million de fils dans mon cryostat”, déclare Adam McCaughan, physicien au NIST et chef de projet. “Ce serait une quantité d’ingénierie obscène à réaliser, sans parler de la lecture des résultats.”
Pour surmonter ces difficultés, l’équipe s’est inspirée d’autres technologies de détecteur. Ils ont emprunté l’idée d’un bus de lecture commun, collectant les informations du détecteur à partir d’une rangée ou d’une colonne entière de pixels à la fois. Cependant, une application traditionnelle du bus introduisait des interférences croisées entre les pixels qui détruisaient la sensibilité du dispositif. “Le problème avec la façon habituelle de réaliser les bus de lecture est qu’ils sont symétriques – tout ce qui peut sortir peut rentrer”, explique McCaughan. “Nous nous sommes donc demandé : ‘Comment pouvons-nous coupler le détecteur au bus de manière asymétrique ?'”
La clé a été de trouver ce schéma asymétrique, où le signal d’un détecteur serait transféré au bus, mais pas vice versa. Pour cela, l’équipe a conçu une étape intermédiaire à côté de chaque pixel de détection, dans laquelle ils ont câblé un élément chauffant en parallèle avec le nanofil supraconducteur. Un photon touchant le nanofil romprait la supraconductivité et dévierait le courant vers l’élément chauffant. L’élément chauffant chaufferait ensuite naturellement et romprait à son tour la supraconductivité localement sur le bus, qui est également composé de fil supraconducteur. Cela ne perturberait pas les éléments chauffants adjacents, créant le couplage asymétrique souhaité.
Des caméras plus grandes pourraient conduire à des utilisations pratiques
Cette conception s’est révélée extrêmement fructueuse. “Après que le processus de fabrication a été optimisé, je me souviens que Bakhrom arrêtait de venir me dire : ‘Eh bien, Adam, je pense que j’ai réussi à faire fonctionner la caméra à 2000 pixels'”, explique McCaughan, faisant référence à l’auteur principal Bakhrom Oripov. “Et puis une semaine plus tard, il revient me dire : ‘J’ai réussi avec celle à 8000 pixels.’ Puis ‘J’ai réussi avec celle à 40 000 pixels.’ Cela n’a cessé d’augmenter.”
Cette énorme amélioration de taille ouvre de nombreuses applications, en particulier dans l’imagerie biomédicale. Par exemple, des scientifiques comme Carp et Roarke Horstmeyer, professeur adjoint d’imagerie biomédicale à l’Université Duke, développent des techniques d’imagerie du cerveau en éclairant ce dernier et en détectant les petites quantités de lumière qui se dispersent. “La grande vision est de créer une IRM portable”, déclare Horstmeyer.
Pour éclairer les tissus humains, les fréquences infrarouges proches sont idéales. Elles peuvent pénétrer plus profondément dans les tissus et sont moins destructrices, permettant des intensités plus élevées. Les détecteurs en silicium disponibles dans le commerce ne fonctionnent pas bien à ces fréquences. “Cette technologie de nanofil est vraiment bien adaptée à la lumière préférablement utilisée dans les dispositifs bio-optiques”, explique Horstmeyer. Le fait d’avoir un appareil de cette taille ouvre des possibilités comme l’imagerie de l’ensemble du cerveau en temps réel.
L’équipe de Boulder travaille maintenant en étroite collaboration avec plusieurs groupes d’imagerie biomédicale pour adapter le dispositif à leurs besoins spécifiques, comme l’amélioration de la sensibilité du timing. Les chercheurs estiment que ces améliorations sont à portée de main. “En ce qui concerne les applications de cette technologie”, déclare Carp, “d’une certaine manière, le ciel est la limite.”
