پژوهشگران موسسه ملی استاندارد و فناوری در بولدر کلرادو، یک آشکارساز نانوسیم تک‌فوتونی ابررسانا (SNSPD) ساخته‌اند که می‌تواند تصاویری با وضوح ۴۰۰ هزار پیکسل بگیرد. وضوحی که برای گرفتن تصویر از یک فوتون کافی است.

فوتون‌ها واحد اصلی نور هستند و جرم و بار ندارند. حتی امواج مایکروویو، نور فروسرخ و پرتوی ایکس نیز از فوتون تشکیل شده‌اند. تمام آنچه امروز در مورد کیهان می‌دانیم را مدیون فوتون‌هایی هستیم که با سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر در ثانیه در فضا حرکت می‌کنند و به ما می‌رسند.

فوتون‌ها همچنین نقش مهمی در نظریه نسبیت آلبرت اینشتین ایفا می‌کنند، زیرا بدون آنها، ما اهمیت سرعت نور را نمی‌دانیم یا درکی از برهم کنش زمان و مکان تعریف شده توسط آن نداریم. مطالعه فوتون‌ها، حوزه ذرات کوانتومی را به روی ما باز کرد و ما توانستیم انرژی را در مقیاس کوانتومی اندازه‌گیری کنیم.

فوتون

فوتون (Photon) یک ذره بنیادی است. فوتون یک کوانتوم یا به عبارتی کمترین مقدار قابل اندازه‌گیری در یک میدان الکترومغناطیسی مانند تابش الکترومغناطیسی (نور و امواج رادیویی) محسوب می‌شود و همچنین در نقش حامل نیرو برای نیروی الکترومغناطیس نیز عمل می‌کند. فوتون‌ها جرم بسیار کمی (غیر قابل اندازه‌گیری) دارند و اگرچه سرعت فوتون به محیط بستگی دارد، اما در محیط خلأ، همواره با سرعتی برابر با سرعت نور معادل ۳۰۰ میلیون متر بر ثانیه حرکت می‌کنند.

مانند همه ذرات بنیادی، مکانیک کوانتومی بهترین توضیح را در مورد فوتون‌ها ارائه می‌نماید؛ ذراتی که مانند الکترون‌ها از خود دوگانگی موج و ذره نشان می‌دهند، به طوری که دارای هر دو خاصیت موجی و ذره‌ای هستند.

مفهوم مدرن فوتون از پژوهش‌های آلبرت اینشتین در طول دو دهه ابتدایی قرن بیستم سرچشمه می‌گیرد، کسی که تحقیقات خود را بر پایه کار‌های ماکس پلانک بنا کرد. ماکس پلانک در تلاش برای توضیح اینکه چطور ماده و تابش الکترومغناطیس می‌توانند با یکدیگر در تعادل باشند، پیشنهاد کرد که انرژی ذخیره شده در اجسام مادی، متشکل از تعداد صحیحی از واحد‌هایی هم‌اندازه و مجزا از یکدیگر است. اینشتین پیشنهاد کرد که خودِ نور از واحد‌های مجزایی از انرژی تشکیل شده است. آزمایش‌های انجام شده، نظر اینشتین در مورد نور را تأیید کرد و در سال ۱۹۲۶، گیلبرت لوییس واژه فوتون را برای این واحد‌های انرژی ترویج کرد.

در مدل استاندارد در فیزیک ذرات، فوتون‌ها و سایر ذره‌های بنیادی به عنوان نتایج ضروری قوانین فیزیکی که دارای تقارن مشخص در هر نقطه از فضا-زمان هستند، توصیف می‌شوند. خواص ذاتی ذره‌هایی مانند بار الکتریکی، جرم و اسپین توسط نظریه پیمانه‌ای تعیین می‌شوند. مفهوم فوتون منجر به دستاورد‌های بسیار مهمی در فیزیک نظری و تجربی گردید که از لیزرها، چگالش بوز-اینشتین، نظریه میدان‌های کوانتومی و دامنه احتمال در مکانیک کوانتومی از جمله آن‌ها هستند. مفهوم فوتون همچنین در زمینه‌هایی مانند فتوشیمی، میکروسکوپ‌های دارای قدرت تفکیک بالا و اندازه‌گیری فواصل مولکولی استفاده شده است.

اخیراً فوتون‌ها به عنوان عناصر مورد استفاده در ساخت رایانه‌های کوانتومی، کاربرد در تصویربرداری نوری و مخابرات نوری مانند رمزنگاری کوانتومی مورد پژوهش قرار گرفته‌اند.

ثبت فوتون

دانشمندان برای بهبود بیشتر درک از نور در نظر دارند تا مدتی طولانی آن را ثبت و ضبط کنند. بیش از دو دهه پیش، پژوهشگران دانشگاه مسکو فناوری ثبت و ضبط فوتون را کشف کردند، اما موانع فنی مانع استفاده از این روش فراتر از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی شد.

اکنون پژوهشگران موسسه ملی استاندارد‌ها و فناوری (NIST)، دپارتمان فیزیک دانشگاه کلرادو و آزمایشگاه پیشران جت در موسسه فناوری کالیفرنیا برای ساخت SNSPD که بزرگترین آرایه دوربین فوتونی است که تاکنون ساخته شده است، همکاری کرده‌اند.

این آرایه پیکسلی ۴۰۰ برابر بزرگتر از بزرگترین دوربین فوتونی پیشین است و می‌تواند نور را در فرکانس‌های مختلف از فروسرخ تا فرابنفش بگیرد و تصاویر را با سرعت‌های بالا به اندازه پیکوثانیه ثبت کند.

کاربرد‌های دوربین فوتونی

این فناوری را می‌توان در اکتشافات فضایی و جایی که پژوهشگران با چالش‌های شناسایی سیارات فراخورشیدی کوچکتر در برابر ستارگان غول پیکر روبرو هستند، به کار گرفت.

سارا استایگر، دانشجوی دکترا که با ابزار‌های عکاسی پرسرعت کار می‌کند، می‌گوید: سیارات می‌توانند یک میلیون بار کم‌نورتر از ستاره‌هایی باشند که به دور آن‌ها می‌چرخند و SNSPD می‌تواند در تشخیص آن نور کمی که از سیاره فراخورشیدی بیرون می‌آید و به طور بالقوه می‌تواند حیات را پشتیبانی کند، کمک کند.

دور از سیارات فراخورشیدی و اینجا روی زمین، SNSPD می‌تواند به مغز ما نیز نگاه کند و به ما کمک کند سیگنال‌های درون نورون‌هایمان را بدون ایجاد اختلال در بافت زنده مطالعه کنیم.

پژوهشگران روش‌های متعددی را برای نقشه‌برداری نوری مغز ایجاد کرده‌اند، اما پردازش سیگنال خروجی پیچیده است و ما تأثیر آن بر کیفیت سیگنال را کاملاً درک نکرده‌ایم.

اکنون این حسگر نانوسیمی امکانات بی‌شماری را برای تحقیقات بدون نگرانی فراهم می‌کند.

پژوهشگران برای دستیابی به دقت و سرعت عکاسی که SNSPD ارائه می‌کند، مجبور بودند بر مجموعه‌ای از مشکلات ناشی از نویز الکتریکی، سرعت بازخوانی و دمای محیط غلبه کنند.

آن‌ها در این مطالعه نوشتند: این آشکارساز‌ها در دما‌های بسیار پایین کار می‌کنند و حداقل نویز اضافی تولید می‌کنند که آن‌ها را برای آزمایش ماهیت واقعیت، بررسی ماده تاریک، نقشه‌برداری از کیهان اولیه و انجام محاسبات و ارتباطات کوانتومی ایده‌آل می‌سازد.

منبع: فیز