أخيرًا ، يمكن للكاميرات أحادية الفوتون أن تتعمق في دماغك

الكاميرات القائمة على الموصلات الفائقة التي يمكنها اكتشاف فوتون واحد – أصغر كمية صغيرة من الضوء – موجودة منذ 20 عامًا ، لكنها ظلت محصورة في المعامل بسبب عدم القدرة على قياسها بعد بضع بكسلات. الآن ، قام فريق في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) في بولدر ، كولورادو بإنشاء كاميرا بفوتون واحد بدقة 0.4 ميجابكسل – أكبر 400 مرة من أكبر كاميرا سابقة من نوعها. أبلغوا عن نتائجهم في نسخة أولية قدموها إلى arXiv في 15 يونيو.

الكاميرات أحادية الفوتون ، المصنوعة من أسلاك نانوية فائقة التوصيل ، تقيس الضوء بحساسية وسرعة لا مثيل لهما ، وعبر مدى تردد لا مثيل له. مع قفزة في الحجم ، تستعد الكاميرا ذات الفوتون الواحد للانتقال من فضول المختبر إلى تقنية صناعية. يمكن لمثل هذه الكاميرات العثور على منزل يصور الكون على التلسكوب التالي من نوع جيمس ويب ، وقياس الضوء في أجهزة الكمبيوتر والاتصالات الكمومية الضوئية ، والنظر إلى الدماغ بتقنيات تعتمد على الضوء غير الغازية.

يقول ستيفان كارب ، الأستاذ المشارك في الأشعة في كلية الطب بجامعة هارفارد والذي لم يشارك في العمل: “من منظور علمي ، هذا بالتأكيد يفتح طريقًا جديدًا في التصوير البصري للدماغ”. قد يكون للنُهج الأخرى لرسم الخرائط البصرية لتدفق الدماغ القشري تكاليف أقل ، ولكن جميعها بها عيوب تؤثر على جودة الإشارة التي تتطلب غالبًا معالجة إشارات معقدة. لا يوجد حل وسط مع الأسلاك النانوية من منظور الأداء “.

يمكن لأجهزة الكشف عن الأسلاك النانوية فائقة التوصيل التقاط كل فوتون تقريبًا ، ويمكنها العمل في الترددات المرئية والأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء ، ويمكنها إخراج النتائج في مجرد بيكو ثانية لاكتشاف معدل الإطارات المرتفع. تنبع حساسية الكواشف من حقيقة أن تيارًا كهربائيًا عاليًا بما يكفي يمر عبر موصل فائق سوف يدمر خصائص الموصلية الفائقة. كل بكسل في الكاميرا عبارة عن سلك فائق التوصيل مع مجموعة تيار أقل بقليل من العتبة بحيث يؤدي اصطدام فوتون واحد مع السلك إلى كسر الموصلية الفائقة. ينتج عن الكسر مقاومة متزايدة عبر السلك ، والتي يمكن اكتشافها على الفور تقريبًا.

سر توسيع نطاق الكاميرات أحادية الفوتون

أداء البكسل الواحد ممتاز ، لكن وضع العديد منها بالقرب من بعضها البعض على شريحة واحدة كان تحديًا طويل الأمد. لتحقيق الموصلية الفائقة ، يجب تبريد الجهاز إلى درجات حرارة شديدة البرودة ، ويحظر توصيل العديد من وحدات البكسل في نظام التبريد. يقول آدم ماكوجان ، الفيزيائي في المعهد القومي للمعايير والتقنية (NIST) الذي قاد هذا الجهد: “بالتأكيد لا يمكنني وضع مليون سلك في جهاز البرد الخاص بي”. “سيكون قدرًا فاحشًا من الهندسة لتحقيق ذلك ، ناهيك عن قراءته.”

للتغلب على هذه الصعوبات ، استوحى الفريق الإلهام من تقنيات الكاشف الأخرى. لقد استعاروا فكرة ناقل قراءة مشترك يجمع معلومات الكاشف من صف أو عمود كامل من وحدات البكسل في المرة الواحدة. ومع ذلك ، فقد أدخل تطبيق مباشر للحافلة تداخلًا بين وحدات البكسل مما أدى إلى تدمير حساسية الجهاز. يقول مكوجان: “المشكلة في الطريقة المعتادة لصنع حافلات القراءة هي أنها متماثلة – أي شيء يمكن أن يخرج يمكن أن يأتي”. “لذلك فكرنا ،” كيف يمكننا ربط الكاشف بالحافلة بطريقة غير متماثلة؟ “

كان المفتاح هو اكتشاف هذا المخطط غير المتماثل ، حيث سيتم نقل الإشارة من الكاشف إلى الناقل ، ولكن ليس العكس. لهذا الغرض ، صمم الفريق خطوة وسيطة بجوار كل بكسل كشف ، حيث قاموا بتوصيل عنصر تسخين بالتوازي مع الأسلاك النانوية فائقة التوصيل. سيكسر الفوتون الذي يصطدم بالأسلاك النانوية الموصلية الفائقة ويحول التيار إلى عنصر التسخين. بعد ذلك ، يسخن عنصر التسخين بشكل طبيعي وبالتالي يكسر الموصلية الفائقة محليًا على الحافلة ، والتي هي أيضًا مصنوعة من سلك فائق التوصيل. هذا لن يزعج عناصر التسخين المجاورة ، مما يؤدي إلى إنشاء اقتران غير متماثل مرغوب فيه.

قد تؤدي الكاميرات الأكبر حجمًا إلى استخدامات عملية

أثبت هذا التصميم أنه مثمر للغاية. يقول مكوجان ، مشيرًا إلى المؤلف الرئيسي باخروم أوريبوف: “بعد تحسين عملية التصنيع ، أتذكر أن باخروم استمر في القدوم وقال لي ،” مرحبًا ، آدم ، أعتقد أنني عملت بكاميرا 2000 بكسل “، في إشارة إلى المؤلف الرئيسي باخروم أوريبوف. وبعد ذلك بأسبوع عاد وقال لي “لقد عملت بدقة 8000 بكسل.” ثم “حصلت على 40.000 بكسل.” لقد استمر فقط في الصعود والارتفاع والأعلى “.

يفتح التحسن الهائل في الحجم العديد من التطبيقات ، لا سيما في التصوير الطبي الحيوي. على سبيل المثال ، يقوم علماء مثل كارب وروارك هورستماير ، الأستاذ المساعد في التصوير الطبي الحيوي بجامعة ديوك ، بتطوير تقنيات لتصوير الدماغ عن طريق تسليط الضوء عليه واكتشاف الكميات الضئيلة من الضوء التي تتناثر مرة أخرى. يقول Hostmeyer: “الرؤية العظيمة هي صنع جهاز تصوير بالرنين المغناطيسي محمول”.

من أجل تسليط الضوء على الأنسجة البشرية ، تعتبر ترددات الأشعة تحت الحمراء القريبة مثالية. يمكن أن تخترق الأنسجة بشكل أعمق وتكون أقل تدميرًا ، مما يسمح بكثافة أعلى. لا تعمل أجهزة الكشف القائمة على السيليكون المتوفرة تجارياً بشكل جيد عند هذه الترددات. يقول Hostmeyer: “إن تقنية الأسلاك النانوية هذه مناسبة تمامًا للضوء الذي يُفضل استخدامه في الأجهزة الضوئية الحيوية”. إن امتلاك جهاز كبير من هذا النوع يفتح إمكانيات مثل تصوير الدماغ بالكامل في الوقت الفعلي.

يعمل فريق Boulder الآن عن كثب مع العديد من مجموعات التصوير الحيوي لتكييف الجهاز مع احتياجاتهم الخاصة ، مثل تحسين حساسية التوقيت. يعتقد الباحثون أن هذه التحسينات في متناول اليد. يقول كارب: “فيما يتعلق بتطبيقات هذه التكنولوجيا ، فإن السماء هي الحد الأقصى إلى حد ما”.